양자컴퓨팅 혁신 현황과 국내 연구 동향 분석

1. 요약

• 양자컴퓨팅은 중첩과 얽힘 원리를 활용하여 기존 컴퓨팅의 한계를 극복하는 혁신 기술로 자리잡고 있습니다. 이 기술 분야는 아날로그 및 게이트 기반 양자컴퓨팅으로 나뉘며, 각각의 원리를 이해하는 것은 양자컴퓨팅의 발전 방향을 인식하는 데 중요합니다. 아날로그 양자 컴퓨팅은 양자 시스템의 상태를 연속적으로 변형하여 최적의 해결책을 모색하는 방식이며, 특히 단열 양자 컴퓨팅과 양자 어닐링 기법이 포함됩니다. 단열 양자 컴퓨팅은 시간에 따라 점진적으로 시스템의 변화를 주어 최적의 해를 도출하는 반면, 양자 어닐링은 이러한 단열 과정을 통해 복잡한 최적화 문제를 효과적으로 해결하는 데 중점을 둡니다.

• 양자 게이트 기반 컴퓨팅은 주로 큐비트를 이용하여 양자 상태를 변환하는 양자 게이트를 사용하는 접근법으로, 각 게이트는 상태 변환 시 유니타리 연산을 통해 양자 역학의 법칙을 따릅니다. 이 시스템은 하다마드 게이트 및 CNOT 게이트와 같은 기본 양자 게이트의 조합으로 다양한 복잡한 연산을 수행할 수 있습니다. 현재 IBM은 2023년 11월에 공개한 433큐비트 양자칩 ‘오스프리’를 통해 상업적 양자컴퓨팅 가능성을 모색하고 있으며, 2025년까지 4, 000큐비트 이상의 시스템 개발을 목표로 하고 있습니다.

• 구글은 2019년에 발표한 시카모어 칩 이후 지속적으로 큐비트 수를 늘리는 데 주력하고 있으며, 큐비트 간의 안정적 얽힘 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 이러한 글로벌 경쟁은 국내에서도 반영되어 있으며, UST-KIST 스쿨 졸업생들이 한국과학기술연구원(KIST)의 양자정보연구단에서 활동하며 양자정보처리 기술의 발전을 도모하고 있습니다. 이와 더불어, 양자정보 연구단은 현재의 연구 성과를 통해 국제적 위상을 강화하고 있으며, 앞으로의 연구 방향은 양자정보 처리 기술의 상용화와 실생활 문제 해결을 위한 양자 알고리즘 개발에 집중될 것으로 예상됩니다.

2. 양자컴퓨팅 기술 개요

• 2-1. 아날로그 양자 컴퓨팅

• 아날로그 양자 컴퓨팅은 양자 시스템의 상태를 연속적으로 변형시켜 문제의 해결책을 찾는 방식으로, 해밀토니안의 제어를 통해 양자 상태를 변화시킵니다. 이 과정에서 양자 정보는 전통적인 비트의 이진 상태인 0과 1을 단순히 사용하지 않습니다. 대신, 양자 중첩 현상을 통해 여러 상태가 동시에 존재하는 것이 가능해집니다. 이는 반도체 기반 컴퓨팅과는 완전히 다른 접근 방식으로, 아날로그 방식의 컴퓨터는 해밀토니안의 변화에 따라 연속적으로 양자 상태를 탐색하여 특정 문제 해결에 가장 적합한 상태를 선택할 수 있습니다.

• 아날로그 양자 컴퓨팅은 단열 양자 컴퓨팅과 양자 어닐링을 포함합니다. 단열 양자 컴퓨팅에서는 시스템의 에너지를 최소화하고, 특정 상태로 점진적으로 이동합니다. 이는 고전적인 컴퓨팅에서 최적화를 수행하는 유사한 과정으로, 에너지 장벽을 넘어 최적해를 찾는 데 매우 유용합니다. 양자 어닐링은 이러한 단열 과정을 보다 효율적으로 사용하는데 초점을 맞추며, 특히 복잡한 최적화 문제를 해결하는 데 사용됩니다.

• 이러한 아날로그 방식의 양자 컴퓨터는 다양한 물리적 실험을 통해 구현할 수 있으며, 사용되는 시스템이나 기술에 따라 성능과 효율은 상이합니다. 최근 연구들은 양자 텔레포테이션이나 양자 얽힘을 활용하여 이러한 아날로그 컴퓨팅 시스템의 가능성을 한층 높이고 있습니다.

• 2-2. 단열 양자 컴퓨팅과 양자 어닐링

• 단열 양자 컴퓨팅은 시간에 따라 시스템을 점진적으로 변화시켜 최적의 해를 도출하는 방식으로, 특정 상태에서 시작해 최초의 상태를 벗어나지 않으면서 문제를 해결하고자 하는 방법론입니다. 이 과정은 원리를 이해하기 위해 고전 물리로의 유사성을 통해 설명할 수 있습니다. 예를 들어, 고전적인 물체가 높은 곳에서 낮은 곳으로 자연스레 내려가는 형태의 최적화와 유사합니다. 시스템의 변화가 너무 빠르지 않도록 조절하는 것이 중요한데, 이를 통해 양자 시스템이 에너지 최소 상태로 안정적으로 유지될 수 있습니다.

• 양자 어닐링은 단열 양자 컴퓨팅의 한 형태로, 특정 최적화 문제를 해결하기 위해 설계되었습니다. 고전적 방식에서의 '안정적인 상태'를 찾는 것처럼, 양자 어닐링에서는 큐비트가 서로 얽혀 안정적인 상태를 찾는데 집중합니다. 최근 D-Wave와 같은 기업이 이 기술을 상용화했으며, 변화하는 큐비트의 양자 상태를 통해 고난이도 문제 해결을 시도하고 있습니다.

• 양자 어닐링의 장점은 고전적인 방법으로는 다루기 힘든 문제에 대해 더 빠른 해결책을 제시할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 복잡한 최적화 문제와 같은 경우, 양자 어닐링 방식이 고전적인 방법보다 빠른 시간 내에 해를 도출할 수 있습니다.

• 2-3. 양자 게이트 기반 컴퓨팅

• 양자 게이트 기반 컴퓨팅은 기존의 고전 컴퓨팅과 유사한 방식으로 문제를 해결하는 접근법으로, 양자 상태를 개별적으로 처리하는 '양자 게이트'를 사용합니다. 양자 게이트는 큐비트의 상태를 변환하여 연산을 수행하며, 이 과정은 양자 역학의 법칙을 기반으로 합니다. 특히, 이러한 게이트는 위상을 유지하면서 유니타리 연산을 통해 상태를 변형합니다.

• 예를 들어, 기본적인 양자 게이트로는 하다마드 게이트와 CNOT 게이트가 있습니다. 하다마드 게이트는 입력으로 0 또는 1을 받아서 중첩된 상태를 생성합니다. CNOT 게이트는 두 큐비트 간의 얽힘을 유도하여 선택적인 상태 변환을 수행하는 데 사용되며, 이는 고전적인 XOR 연산을 확인할 수 있습니다. 이처럼 양자 게이트는 양자 컴퓨터가 수행하는 모든 연산의 기본 단위이며, 다양한 게이트 조합을 통해 복잡한 연산이 가능합니다.

• 기본적으로 양자 게이트는 '가역적'이어서 입력된 상태로부터 출력을 생성한 후, 반대의 과정을 거치면 원래의 상태를 복원할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 이는 고전 게이트와의 중요한 차별점으로, 양자 상태의 특성상 측정을 통해 상태가 붕괴되므로 이러한 가역성이 더욱 중요한 의미를 가진다고 할 수 있습니다.

3. 글로벌 양자컴퓨터 개발 현황

• 3-1. IBM 오스프리 프로젝트

• 2023년 11월, IBM이 공개한 양자컴퓨터 칩 ‘오스프리’는 433개의 큐비트를 갖추고 있으며, 2025년까지 4, 000큐비트 이상의 시스템을 개발하겠다는 목표를 세웠습니다. 오스프리는 양자컴퓨팅의 발전을 가속화하는 데 중대한 역할을 하고 있으며, 이는 양자 역학의 복잡한 현상을 활용하여 기존 컴퓨터의 계산 능력 한계를 뛰어넘기 위한 시도입니다. IBM은 오스프리를 통해 상업적 양자컴퓨팅의 가능성을 높이는 동시에 파트너십을 통해 생태계를 확장하려고 하고 있습니다.

• IBM의 오스프리 프로젝트는 기업 및 연구기관과의 협력을 바탕으로 진행되고 있으며, 현재 여러 산업 분야에서 최적화된 알고리즘 개발과 문제 해결을 위한 양자컴퓨터의 활용 가능성을 모색하고 있습니다. 특히, 금융, 물류, 생명 과학 등의 분야에서 새로운 혁신적 접근 방식을 제공할 것으로 기대됩니다.

• 3-2. 구글 시카모어 후속 개발

• 구글은 2019년에 발표한 양자컴퓨터 칩 시카모어 이후로 지속적으로 기술 개발을 진행하고 있습니다. 시카모어는 53개의 큐비트를 사용하는 칩으로, 양자우월성(Quality of Quantum Supremacy) 달성을 보여준 사례입니다. 현재 구글은 큐비트 수를 늘리는 데 주력하고 있으며, 특히 큐비트 간의 얽힘을 안정적으로 유지하는 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있습니다.

• 구글의 연구자들은 다양한 양자 알고리즘을 통해 시카모어보다 더 높은 큐비트 수를 가진 새로운 프로토타입을 설계하고 있으며, 이 과정에서 양자 오류 정정 기술 또한 병행하여 발전시키고 있습니다. 이는 양자컴퓨터의 상용화에 큰 영향을 미칠 것이며, 구글은 이러한 고급 계산 환경을 마련하기 위해 다각적인 접근을 시도하고 있습니다.

• 3-3. 향후 큐비트 확장 목표

• 양자컴퓨터의 성능은 큐비트의 수와 밀접한 관련이 있기 때문에, 기업들은 지속적으로 큐비트 확장을 목표로 하고 있습니다. 양자컴퓨터의 핵심 과제 중 하나는 큐비트 간의 상호작용을 관리하고, 이를 통해 높은 수준의 얽힘 상태를 유지하는 것입니다. 큐비트 수가 증가함에 따라 이들 사이의 상호작용 역시 복잡해지기 때문에 양자 오류 정정 기술 및 얽힘 제어 기술이 필요합니다.

• 위에서 언급한 IBM, 구글 외에도 여러 스타트업과 연구기관들이 큐비트 수 증대 및 새로운 접근 방식을 활용한 양자 시스템 개발에 참여하고 있습니다. 이러한 경쟁은 양자컴퓨터 기술 발전의 촉매제가 되고 있으며, 향후 10년 내에 수천 개의 큐비트를 사용하는 시스템들이 상용화될 가능성이 높아지고 있습니다. 이는 상업적 용도와 연구 개발을 통해 양자 계산의 실제 활용을 위한 기초를 다지는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

4. 국내 양자정보 연구 및 인적 자원

• 4-1. UST-KIST 스쿨 박사 인력

• UST-KIST 스쿨은 양자정보 기술 연구 및 교육의 중심지로 자리 잡고 있으며, 이곳에서 배출된 박사 인력들은 국내외 다양한 양자정보 연구분야에서 활발히 활동하고 있습니다. 이동화 박사는 2023년 UST-KIST 스쿨에서 공학 박사를 취득하였으며, 현재 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단의 박사후연구원으로 재직하고 있습니다. 그의 연구 분야는 양자정보처리 기술로, 특히 양자광학을 활용한 정보처리 기술 개발에 초점을 맞추고 있습니다. 이외에도 김용수 박사는 POSTECH에서 이학박사를 취득하고, 미국 국립표준연구소(NIST)에서 박사후연구원 과정을 거친 후 2013년부터 KIST 양자정보연구단의 연구원이 되어, 실용적인 양자 알고리즘과 기술 개발에 기여하고 있습니다.

• 4-2. 양자정보연구단 박사후연구원 현황

• 한국과학기술연구원(KIST)의 양자정보연구단은 국내 양자정보 연구의 핵심을 담당하고 있으며, 현재 다수의 박사후연구원이 소속되어 있습니다. 이들은 양자연산 오류 교정, 큐비트 시스템 개선, 양자 시뮬레이터 개발 등 다양한 주제를 연구하며, 국제 학술지에 다수의 논문을 발표하고 있습니다. 최근 연구 성과 중 하나는 양자정보 처리에서의 양자얽힘을 활용한 실험으로, 이는 양자컴퓨팅의 안정성과 효율성을 높이는 데 중요한 기여를 하고 있습니다. 이를 통해 국내의 연구역량은 한층 강화되었으며, 양자정보 연구의 국제적 위상도 상승하고 있습니다.

• 4-3. 연구 협력 및 발전 방향

• 국내 양자정보 연구는 산·학·연 협력을 통해 더욱 발전하고 있습니다. KIST와 여러 대학 및 연구기관 간의 공동 연구 프로젝트가 활발히 진행되고 있으며, 특히 UST-KIST 스쿨 졸업생들의 연구 성과는 이를 뒷받침하는 중요한 요소로 작용하고 있습니다. 협업을 통해 데이터 기반의 인공지능(AI) 기술과 양자컴퓨팅의 융합 연구가 이루어지고 있으며, 이는 최신 양자정보 기술의 발전을 가속화하고 있습니다. 향후 연구의 방향은 양자정보 처리 기술의 상용화와, 절전형 양자컴퓨터의 개발, 실생활 문제 해결을 위한 양자 알고리즘의 개발 등으로 나아갈 것으로 예상됩니다.

결론

• 양자컴퓨팅의 기술적 성숙도를 고려할 때, 여전히 해결해야 할 과제들이 존재하지만, 글로벌 기업들이 추진하는 큐비트 확장 경쟁과 국내 연구진의 집중적인 투자로 이러한 분야의 발전 동력은 더욱 견고해지고 있습니다. 향후 양자 오류 교정, 대규모 큐비트 통합 및 다양한 응용 분야의 발굴이 매우 중요한 과제가 될 것입니다. 이를 위해서는 산학연 협력과 같은 중장기적이면서도 체계적인 접근이 필수적입니다.

• 특히 국내 연구자의 전문 인력 양성은 이러한 목표를 달성하는 데 핵심적 요소로 작용할 것입니다. 인재 양성을 통해 국내의 연구 역량을 국제 무대에서 더욱 강화할 수 있으며, 이는 궁극적으로 양자컴퓨팅 기술의 상용화에 기여할 것입니다. 이러한 흐름 속에서 향후 10년 내에 양자컴퓨터의 실제 활용이 상상 이상의 속도로 이루어질 것으로 전망됩니다.

용어집

• 양자컴퓨팅: 양자컴퓨팅은 양자역학의 원리인 중첩과 얽힘을 활용하여 정보를 처리하는 혁신적인 기술입니다. 기존의 고전적 컴퓨터와 비교할 때, 양자컴퓨터는 다수의 상태를 동시에 계산할 수 있어 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있는 능력을 가지고 있습니다.

• 큐비트: 큐비트는 양자컴퓨터의 기본 단위로, 양자 비트라고도 불립니다. 고전 컴퓨팅에서의 비트가 0 또는 1의 두 가지 상태를 갖는 것과 달리, 큐비트는 중첩 상태를 통해 동시에 여러 값으로 존재할 수 있습니다.

• 양자게이트: 양자게이트는 큐비트를 변환하거나 연산을 수행하는 수학적 구성 요소로, 양자역학의 법칙을 기반으로 작동합니다. 이러한 게이트를 통해 양자 상태를 조작하여 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다.

• 양자어닐링: 양자어닐링은 특정 최적화 문제를 해결하기 위해 설계된 양자 기술입니다. 단열 양자 컴퓨팅의 한 형태로, 시스템의 에너지를 최소화하여 안정적인 해를 찾는 과정을 통해 고전적 방법보다 빠른 해결을 제공합니다.

• 중첩: 중첩은 양자역학에서 발생하는 현상으로, 큐비트가 두 가지 이상의 상태를 동시에 가질 수 있는 것을 의미합니다. 이 특성은 양자컴퓨팅의 강력한 계산 능력을 가능하게 합니다.

• 얽힘: 얽힘은 두 개 이상의 큐비트가 서로 긴밀하게 연결되어, 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 즉각적인 영향을 미치는 현상입니다. 이는 양자통신 및 양자컴퓨팅 기술의 핵심 원리입니다.

• IBM 오스프리: IBM 오스프리는 IBM이 개발한 433큐비트 양자컴퓨터 칩으로, 2023년 11월에 공개되었습니다. 이 프로젝트는 상업적 양자컴퓨팅 가능성을 모색하고 있으며, 2025년까지 4, 000큐비트 이상의 시스템 개발을 목표로 하고 있습니다.

• 구글 시카모어: 구글 시카모어는 구글이 2019년에 개발한 53큐비트 양자컴퓨터 칩으로, 양자 우월성을 달성한 사건으로 유명합니다. 현재 구글은 큐비트 수를 늘리고 얽힘을 안정적으로 유지하는 방법에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

• UST-KIST: UST-KIST는 한국과학기술연구원(KIST)과 연결된 양자정보 기술 교육 및 연구기관으로, 양자정보 처리 및 관련 기술 개발에 중점을 두고 있습니다. 이곳에서 배출된 많은 연구인력이 국내외 양자정보 연구 분야에서 활발히 활동하고 있습니다.

• 양자정보연구단: 양자정보연구단은 한국과학기술연구원(KIST) 내에서 양자정보 연구를 전담하는 부서로, 양자 알고리즘, 얽힘 기술, 양자 시스템 개선 등 다양한 주제를 연구하고 있습니다. 이들의 연구 결과는 국제적으로도 인정받고 있습니다.

출처 문서

• 물리학과 첨단기술https://webzine.kps.or.kr/?p=5_view&idx=16903
• 양자컴퓨팅 (Quantum Computing) - 한국양자정보학회 위키https://wiki.qisk.or.kr/%EC%96%91%EC%9E%90%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%8C%85_(Quantum_Computing)
• 양자컴퓨터, 컴퓨터의 패러다임을 바꾸다http://www.skkuw.com/news/articleView.html?idxno=31498