[양자컴퓨터 - 03] 양자컴퓨터의 개발 로드맵과 미래상

양자 컴퓨터의 개발 로드맵

양자 컴퓨터 실현을 위한 개발 로드맵을 아래의 그림(1)에 나타냅니다. 대략적으로 표현한 고전 컴퓨터에서 그 한계를 돌파하고 양자 컴퓨터를 실현해가는 흐름입니다. 이것을 좀 더 단계적으로 살펴보면, 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터 사이에 위치하는 장치가 현재 이미 개발되어 있고, 연구가 진행되고 있습니다. 여기서는 이 흐름을 개발 로드맵 형식으로 알아보겠습니다. 각 양자 컴퓨터가 어떠한 위치에 있는지 알아봅시다.

 

먼저 일반 컴퓨터인 '고전 컴퓨터'다음에 양자를 활용 한 '비고전 컴퓨터'라 불리는 장치가 개발되고 있습니다. 이것은 현재의 양자 어닐러를 포함하여 양자를 계산에 도입하는 시도의 초기 단계입니다. 그 다음에 고전 계산보다 강력한 계산이 가능하다는 것을 입증한 '비 만능 양자 컴퓨터'의 단계가 있습니다.

 

고전 컴퓨터에서는 어려웠던 계산을 양자 컴퓨터에서는 효율적으로 계산할 수 있습니다. 이렇게 고전대비 우위를 나타내는 것을 양자 슈프리머시(양자 초월성)라고 합니다. 현재 개발되고 있는 양자 디바이스에 의한 양자 슈프리머시의 입증이 현재 주목받고 있습니다.

 

이 단계의 양자 컴퓨터는 오류 내성이 불완전한 양자 컴퓨터이며, 만능 양자 계산을 수행할 수 없습니다. 따라서 완전한 오류 내성을 실현함으로써 최종 목표의 만능 양자 컴퓨터에 이르게 됩니다. 이 만능 양자 컴퓨터의 실현에는 20년 이상 걸릴 것으로 예상되고 있습니다.

 

그러나 현재 그 전 단계의 개발이 꾸준히 진행되고 있으며 양자 어닐러나 후술하는 NISQ 장치가 개발되고 있습니다. 다음은 이 흐름을 중심으로 각 단계에 대해 알아보겠습니다.

 

그림(1). 만능 양자 컴퓨터 실현에의 흐름

 

폰 노이만 구조에서 비 노이만형 컴퓨터로

양자 컴퓨터의 개발 단계를 위 그림에 따라 단계별로 살펴 보겠습니다. 먼저 설명해야 할 것은 고전 컴퓨터 개발의 최신 동향입니다. 기존의 컴퓨터의 한계를 돌파하기 위해 고전 컴퓨터도 한층 더 진화를 계속하고 있으며, 비 노이만 형 컴퓨터가 개발되었습니다.

 

이것은 고전 컴퓨터인 것에는 변함 없지만, 계산의 구조가 일반 컴퓨터와 다릅니다. 비 노이만형 컴퓨터는 '정해진 문제를 빨리 푸는 기계'이며, 일반적으로 노이만형 컴퓨터는 'CPU + 메모리'라는 기본 구성으로 되어있는 반면, 그 이외의 구성으로 되어있는 것을 비 노이만형 컴퓨터라고합니다.

 

많은 경우 비 노이만형 컴퓨터는 특정 문제에 특화설계 되어 있으며, 노이만형 컴퓨터에 비해 빠르고 저전력 계산을 목표로 하며 '정해진 문제를 빨리 푸는 기계'로 개발되었습니다. 예를 들어, 방대한 행렬 계산에 특화된 칩과 기계 학습 처리에 특화된 칩이 개발되고 있습니다.

 

'뉴로모픽 칩'이라고 신경을 본뜬 구성회로와 GPU(Graphic Processing Unit)를 사용한 고속화, FPGA(Field Programmable Gate Array)를 이용한 시스템 등이 이미 개발되어 있습니다. 일부는 이미 스마트폰 등에 들어 있으며 알게 모르게 우리는 혜택을 받고 있습니다.

 

양자 컴퓨터도 당분간은 비 노이만형 컴퓨터 중 하나일 뿐이라는 평가가 있습니다. 그러나 GPU나 FPGA, TPU 등이 고전 계산을 하는 반면, 양자 컴퓨터는 양자를 사용한 양자 계산을 한다는데 있어서 본질적으로 다릅니다.

 

비 고전 컴퓨터

양자 계산을 목표로 하는 개발 단계의 컴퓨터를 '비고전 컴퓨터'라고 합니다. 어느 컴퓨터가 양자 계산이 실제로 이루어지고 있는가, 즉 고전 계산과 비교하여 우위에 있는가 라는 질문에 대답하는 것은 꽤나 어렵고, 많은 실험 데이터를 모으고 이론 구축을 하고 개량을 반복하는 등의 연구 개발이 필요합니다. 여기에는 어느 정도 장기간의 개발 기간이 필요하며, 이 단계에 있는 기계를 여기서는 비 고전 컴퓨터라고 칭하겠습니다.

 

비 고전 컴퓨터는 양자를 이용한 디바이스에 의한 양자 계산을 목표로하고 있으며, 여기에는 현재의 양자 어닐러나 소수의 양자 비트 프로토타입이 포함되어 있습니다. 이러한 디바이스는 고전 계산보다 우위의 성능을 실현하지 못한 개발 단계의 머신으로, 고전 계산보다 우위의 계산을 실증하는 것을 '양자 슈프리머시'라고 합니다.

 

 

비 만능 양자 컴퓨터

양자 슈프리마시를 실증한 후, 확장성 및 오류 내성이 없고, 아직 만능 양자 계산에 이르지 못한 개발 단계가 있습니다. 이 단계의 컴퓨터를 여기서는 '비 만능 양자 컴퓨터'라고 칭하겠습니다.

 

예를 들어 고 정밀도의 50 ~ 100양자 비트를 갖는 양자 컴퓨터가 완성되면 고전 컴퓨터의 한계를 부분 돌파할(그 계산이 고전 컴퓨터에서 불가하여 양자 슈프리머시가 입증될) 가능성이 있으며, 비 만능 양자 컴퓨터가 실현됩니다.

 

그러나 이 비 만능 양자 컴퓨터는 사회에 유용한 계산을 하는데 있어서 고전 컴퓨터보다 강력하다고 한정짓기 어렵습니다. 따라서 비 만능 양자 컴퓨터를 이용하면서 사회에도 유용한 알고리즘을 찾는 것이 중요합니다. 이처럼 사회에 유용한 계산을 통해 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터의 성능을 상회하는 것을 '양자 스피드업'과 '양자 어드밴티지'라고 부를수 있습니다.

 

양자 슈프리머시는 어느 쪽이냐면 학술적 의미에서 양자 컴퓨터의 장점이며, 양자 스피드업과 양자 어드벤티지는 좀 더 실용적인 의미에서 양자 컴퓨터의 우위를 의미하는 단어라고 합니다.

 

 

 

NISQ

비 만능 양자 컴퓨터로 NISQ라는 양자 컴퓨터가 등장하고 있습니다. 일반적으로 우리가 사용하는 고전 컴퓨터는 노이즈에 의한 계산 실수는 없습니다. CPU와 메모리는 높은 정밀도로 제조될 뿐만 아니라 처리중 오류정정 기능을 가지고 있기 때문에 노이즈에 매우 강하고, 일반적으로 사용시 노이즈로 고생할 일은 없습니다.

 

한편, 현재 제공되고 있는 비 만능 양자 컴퓨터는 아직도 노이즈 문제가 큰 것이 현실입니다. 현재 개발이 가장 활발한 초전도 회로에 의한 양자 컴퓨터는 양자 게이트 조작이나 양자 비트의 측정 등 양자적인 작업은 0.1에서 몇 퍼센트 정도의 오류가 발생합니다.

 

그리고 이 오류를 정정할 방법이 현재는 거의 없습니다. 양자 컴퓨터의 오류 정정은 활발하게 연구되고 있지만 구현은 쉽지 않을 것입니다. 그래서 NISQ가 주목받고 있습니다.

 

 

노이즈가 있는 중규모 양자 컴퓨터 : NISQ

NISQ라는 말은 2017년 12월에 캘리포니아 공과대학의 양자 컴퓨터 연구의 권위자인 존 프레스킬(John Preskill)이 'Quantum Computing in the NISQ era and beyond'라는 제목의 강연에서 소개한 단어입니다. NISQ는 'Noisy Intermediate-Scale Quantum(computer)'의 머리 글자를 딴 약어로 '노이즈가 있는 중간 규모(50 ~ 100 양자 비트)의 양자 컴퓨터'라고 번역할 수 있습니다.

 

이것은 현재로부터 이후 몇 년에 걸쳐 연구 개발될 양자회로 모델의 양자 컴퓨터를 나타내는 명칭이 될 것이라고 여겨지고 있습니다. NISQ가 양자 스피드업을 달성할 수 있을지는 아직 알려져 있지 않습니다. 그러나 현재 NISQ를 이용한 양자 스피드업을 실현하려는 알고리즘의 연구가 활발하게 이루어지고 있습니다.

 

NISQ

 

만능 양자 컴퓨터

양자 비트의 수가 충분히 확대되어 확장성 및 오류 내성을 획득하여 임의의 양자 알고리즘 수행이 가능한 양자 컴퓨터를 만능 양자 컴퓨터라고 합니다. 만능 양자 컴퓨터는 인류 과학기술의 궁극적 목표의 하나라고 필자는 생각하고 있습니다.

 

왜냐하면 양자 물리학의 근사값인 고전 물리학이 아니라 보다 보편적인 양자 물리학에서 계산을 수행하고 지금까지의 비효율적 계산이 효율적으로 되고, 이로 인해 고전 컴퓨터의 외부에 있는 새로운 가능성이 펼쳐지기 때문입니다.

 

만능 양자 컴퓨터는 위의 NISQ 등의 비 만능 양자 컴퓨터에서 양자 비트의 수와 정확도를 비약적으로 높여 오류 정정 기능(오류 내성)을 구현함으로써 실현될 수 있다고 생각됩니다. 그러나 기술적 난이도가 매우 높고 현재의 기술 수준으로는 아직 오류 정정 기능의 초기 단계 실험에 머물고 있습니다.

 

후술하는 쇼어 알고리즘과 글로버 알고리즘 등 양자 알고리즘은 고전 컴퓨터보다 강력한 것으로 알려져 있습니다. 쇼어 알고리즘은 암호 해독이 가능하며, 또한 글로버 알고리즘은 복잡한 탐색 문제를 신속하게 해결할  가능성이 높습니다. 그러나 이러한 것들 뿐만아니라 만능 양자 컴퓨터의 응용 분야는 앞으로 크게 확대될 것으로 예상되고 있습니다.

 

비 만능 양자 컴퓨터

 

양자 컴퓨터의 미래상

고전 컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터와 같은 대형부터 데스크탑PC, 노트북, 스마트폰, 웨어러블 디바이스의 작은 것까지 다양합니다. 이 컴퓨터들은 용도에 따라 분류하여 사용되고 있습니다. 그럼, 양자 컴퓨터는 어떨까요?

 

양자 컴퓨터의 현재

양자 컴퓨터 개발 현황은 대략 위의 비 고전 컴퓨터의 단계이며, 현재 클라우드에 의한 사용 시험이 이루어지고 있습니다. 이미 일부 기업이 체험 가능한 비 고전 컴퓨터 환경을 구축하고 있습니다. 그러나 사용할 수있는 기능은 매우 제한적이고, 실제적으로 유용한 계산을 통해 고전 컴퓨터의 한계를 돌파하는 수준은 아닙니다.

 

예를 들어 현재 클라우드에서 사용할 수 있는 IBM의 양자 컴퓨터 IBM Q는 5양자 비트와 16양자 비트의 양자 회로 모델에 의해 계산이 가능합니다(2019년 5월 기준). 그러나 5양자 비트와 16양자 비트로 하는 계산은 일반적 고전 컴퓨터인 퍼스널 컴퓨터에서도 계산이 가능합니다.

 

즉, 5양자 비트의 양자 컴퓨터는 위의 비 고전 컴퓨터로 분류가 되며 실용적 의미는 없다는 뜻입니다. 따라서 지금도 고성능 양자 컴퓨터를 구현하기 위한 연구 개발이 활발히 진행되고 있습니다.

 

이것이 50양자 비트, 100양자 비트가 된다면 이야기가 달라집니다. 현재 최고 성능의 슈퍼 컴퓨터도 정밀도가 좋은 50양자 비트의 양자 컴퓨터가 하는 계산을 시뮬레이션하는 것은 계산량이 너무 커서 어렵습니다(양자 슈프리머시).

 

 

양자 컴퓨터의 사용 방법

비 만능 양자 컴퓨터가 실현되어 양자 스피드업이 가능해진 미래에 대해 생각해 봅시다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터가 풀지 못한 문제를 인수하는 역할을 담당할 것입니다. 또한 양자 컴퓨터도 시스템에 통합될 것입니다.

 

여기서 주의할 점은 시스템의 일부라는 것입니다. 양자 컴퓨터는 현재는 어디까지나 전용 기계의 위치라고 생각합니다. 즉 '정해진 문제를 빨리 푸는 기계'로 사용되는 것입니다.

 

이론적으로는 양자 회로 모델은 일반적인 양자 계산을 설명할 수 있고, 고전 컴퓨터가 가능한 계산은 모든 양자 컴퓨터에서도 계산 가능합니다만, 실제로는 당분간 고전 컴퓨터를  부분적으로 어시스트하기 위해 사용될 것으로 예상하고 있습니다. 그렇게 하는 쪽이 현재로서는 현격히 비용이 싸기 때문입니다. 따라서 양자 컴퓨터가 집마다 1대씩 보급된다거나, 스마트폰에 탑재한다는 등의 생각은 당분간 꿈도 꾸기 어렵습니다.

 

초전도 회로에 의한 양자 컴퓨터의 예는 아래 그림과 같습니다. 예를 들어 초전도 회로에 의한 양자 컴퓨터에서는 희석냉동기라는 대형 냉각장치가 필요하며 제어 장치도 많이 필요합니다. 이를 클라우드를 경유해서 사용하는 방법이 고안되고 있습니다.

초전도 회로에 의한 양자 컴퓨터의 예

 

미래의 커뮤팅 환경을 상상

마지막으로, 미래의 컴퓨팅 환경을 상상해 봅시다. 예를 들어 10년 후 컴퓨터의 모습은 그림 1-20과 같이 구성될 것이라고 필자는 생각합니다. 우리가 가지고 조작하는 PC나 스마트폰, 스마트워치 및 헤드마운트 디스플레이 등의 웨어러블 장치 또는 스마트가전 등이 클라우드로 고전 컴퓨터에 무선 LAN으로 연결되어 있습니다. 이러한 기기들을 사용자 인터페이스라고 합니다.

 

그리고 뭔가 계산을 하고자 할 경우에는 이러한 사용자 인터페이스를 조작합니다. 그러면 간단한 계산이나 빠른 처리 속도가 필요한 계산은 그 기기가 바로 계산해 줍니다만, 조금 복잡한 계산이나 데이터베이스와의 상호 작용이 필요한 계산은 클라우드에 연결되어 있는 고전 컴퓨터로 처리합니다.

 

이것은 범용 기계이므로 중간 계산은 할 수 있지만, 복잡한 계산이나 대규모 계산은 계산 전문의 별도 컴퓨터에 요청합니다. 예를 들어, 행렬 계산은 행렬 계산 전용머신, 화상 처리는 화상 처리 전용머신, 기계 학습은 기계 학습 전용 머신으로 나뉘는 것입니다. 그리고 이 전용 머신 중 하나에 양자 컴퓨터도 포함됩니다. 양자 컴퓨터가 잘 푸는 문제는 양자 컴퓨터가 인수하는 것입니다.

 

10년 후 컴퓨터의 모습

 

이는 어디 까지나 필자의 의견이지만, 여기서 전하고 싶었던 것은 이처럼 양자 컴퓨터와 고전 컴퓨터가 함께 사용된다는 것입니다. 또한 앞으로 양자 컴퓨터를 쉽게 사용할 수 있는 미래가 왔다고 합시다. 거기서는 고전 컴퓨터가 모든 양자 컴퓨터를 대체하는가 하면, 그렇지도 않을 것입니다. 왜냐하면 양자 컴퓨터를 제어하는데 있어서 고전 컴퓨터가 중요하기 때문입니다.

 

양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 양자성이 깨지지 않도록 장비를 만들지 않으면 안됩니다. 양자성은 매우 깨지기 쉽기 때문에 많은 전자 기기 및 광학 기기, 측정 기기 등을 구성해서 제어합니다.

 

이러한 제어 장치는 모든 고전 컴퓨터가 내장하고 있기 때문에 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 고전 컴퓨터가 필수적이라는 것입니다. 어쨌든 많은 시간이 지난다고 해서 고전 컴퓨터가 사라지는 일은 없을 것입니다. 고전과 양자의 하이브리드 가속화를 목표로 함께 나아가는 것입니다.