양자컴퓨터 원리, 국내외 개발현황 알아야 선점한다

양자컴퓨터 개발 관련한 경쟁이 점점 치열해지고 있습니다. 이에 양자컴퓨터 원리에 대해서 궁금해 하시는 분들도 부쩍 늘고 있습니다. 양자컴퓨터 관련 산업이 급부상하고 있는만큼, 양자컴퓨터 원리부터 양자컴퓨터 개발현황과 관련된 산업분야와 기업까지 알아보도록 하겠습니다. 누구보다 빨리 알아 놓아야 미래를 선점하고 이익도 얻을 수 있는 분야인 양자컴퓨터,
아래에서 조목조목 설명해드리도록 하겠습니다.

양자컴퓨터란? 양자컴퓨터 원리 알아보기

<사진: 구글 리서치, Artist’s rendition of the Sycamore processor mounted in the cryostat;Forest Stearns, Google AI Quantum Artist in Residence>

양자 컴퓨터는 양자역학 원리를 컴퓨터 이론에 접목해 정보 처리를 하는 새로운 컴퓨팅 패러다임입니다. 소비자들이 현재 사용하고 있는 데스크탑, 태블릿, 스마트폰 등은 다 컴퓨터라고 볼 수 있는데, 이런 기존의 컴퓨터가 물리적으로는 전기의 ON-OFF 상태 (더 정확히는 전압의 고저차로) 두 가지 다른 상태를 만들고, 이를 이용해 논리적으로 이진수를 사용해 작업을 수행하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라고 불리는 단위를 사용하여 더 복잡한 계산을 가능하게 만드는 것입니다.
현재의 컴퓨터에서는 ‘비트’라는 단위로 정보를 표현하며, 비트는 0 또는 1의 값만 가질 수 있습니다(ON-OFF의 두 상태만 있으므로). 반면에 양자 컴퓨터의 큐비트는 0과 1의 중첩 상태를 가질 수 있으므로 동시에 여러 상태를 표현할 수 있습니다. 이 원리를 활용해 컴퓨터를 만드는 것이 양자컴퓨터 입니다.

큐비트와 비트의 계산 원리 차이

전통적인 컴퓨터에서는 ‘논리 게이트’ 라는 것을 활용해 정보를 처리합니다. 예를 들어, AND, OR, NOT 등 수학시간에 들어 보았을 논리 연산입니다. 이와 달리 큐비트는 양자 게이트를 사용하여 정보를 처리합니다.
중요한 차이는, 큐비트는 중첩 상태 덕분에 여러 가능한 상태를 동시에 표현할 수 있습니다. 즉 매우 복잡한 연산이 필요한 경우에 훨씬 더 빨리 해결할 수 있게 만듭니다.

양자컴퓨터는 왜 필요하고, 어디에 쓰나?

양자컴퓨터 원리를 이용해, 양자 컴퓨터는 기존의 컴퓨터로는 처리하기 어려운 많은 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.

1. 암호학
   양자 컴퓨터는 암호학에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있습니다. 현대의 많은 암호화 기술은 소수 분해의 난해함에 근거를 두고 있습니다. 양자 컴퓨터는 이러한 문제를 효율적으로 해결할 수 있어, 기존의 암호화 기술은 무용지물이 될 가능성이 높습니다. 이따문에 양자컴퓨터는 암호학의 전반적인 구조를 바꿀 가능성이 있습니다.
   소비자들이 로그인을 위해 비밀번호를 넣을 때, 금융관련 정보를 처리할 때, 민감정보를 입력해야 할 때, 통신을 주고 받을 때 등 암호학은 현대 사회 전반에 관여합니다. 암호학은 매우 경제적 파급력이 큰 영역입니다.
   
2. 재료 과학
   재료의 분자 구조와 성질을 이해하고 예측하는 것은 현재까지의 컴퓨터로는 신속하고 완전하게 계산하기 어려운 문제 중 하나입니다. 양자 컴퓨터는 현재의 컴퓨터 기준으로는 매우 복잡한 계산을 가능하게 하여, 새로운 재료의 개발과 기존 재료의 효율적 활용을 도울 수 있습니다.
   최근에도 이슈가 되었던 상온상압 초전도체 후보물질과 같은 것들이 제시되었을 때, 이론적 검증을 더 정확하게 시뮬레이션하기 위해 양자컴퓨터가 활용될 수 있습니다.
   
3. 의학 분야
   약물 개발과 질병 연구에도 양자 컴퓨터의 활용이 기대되고 있습니다. 생물학적 분자구조와 인공적 화합물의 상호작용을 정확하게 모델링하는 것은 기존의 컴퓨터로는 한계가 있습니다. 양자 컴퓨터는 이와 관련된 계산을 더 정확하고 빠르게 수행할 수 있으므로, 새로운 치료법과 질병 이해에 획기적인 속도 개선을 가져다 줄 수 있습니다.
   최근 몇년간 과제였었던, 코로나 백신과 코로나 치료제와 같이 신약 개발 등에 있어서도 양자컴퓨터는 획시적인 시간 단축을 가져다 줄 수 있는 기술이라고 볼 수 있습니다.
   
4. 기상학 및 환경과학
   기후 변화와 관련된 복잡한 시뮬레이션은 양자 컴퓨터의 계산 능력이 적용되었을 때 정확도를 높일 수 있을 것입니다. 양자 컴퓨터는 이러한 복잡계 모델을 기존보다 높은 정확도로 모델링하고 예측 가능하므로, 기상 예측의 정확성을 향상시키고 재난안전이 기여할 수 있습니다.
   많은 국민들이 항상 아쉬워하는 기상예측의 정확도에 양자컴퓨터는 큰 기여를 할 수 있습니다.
   
5. 금융
   금융 분야에서도 양자 컴퓨터는 우연의 영역에 가까워 보이는 시장 변동을 더 정확하게 파악하여, 리스크 관리와 투자 포트폴리오 최적화에 활용될 수 있습니다. 다양한 변수와 시장의 조건들을 함께 고려하는 복잡한 계산은 양자 컴퓨터의 병렬 계산 능력을 통해 정확도를 높일 수 있습니다.
   많은 분들이 관심을 가지시는 주가변동과 경제 지표 등에 대한 양적 해석에 있어서 양자컴퓨터가 정확도를 높일 수 있습니다.
   
6. 물류 및 운송
   물류 및 운송 계획에는 복잡한 최적화 문제가 관여합니다. 양자 컴퓨터는 이러한 문제의 해결을 빠르게 풀어낼 수 있기 때문에, 보다 효율적인 물류 및 운송 경로를 계획하는 데 도움이 될 것입니다.
   현대의 물류시스템은 엄청난 규모입니다. 특히 코로나 이후 상업시장이 온라인으로 급격히 이동하면서 어떻게 효율적으로 물류를 관리하고 운송을 원활하게 할 것인가는 기업 입장에서 매우 중요한 과제가 되었습니다. 양자컴퓨터는 이 문제에 있어서 복잡한 문제들을 풀어내어 비용절감에 기여할 수 있습니다.
   

양자 컴퓨팅 관련 연구-사업분야들

<사진: 구글 리서치, Photograph of the Sycamore processor; Erik Lucero, Research Scientist and Lead Production Quantum Hardware)>

양자 컴퓨팅은 그 복잡성과 잠재력 때문에 여러 연구와 사업분야에 걸쳐 광범위한 영역에 걸쳐있는 아이템입니다. 다음은 양자 컴퓨팅과 관련된 주요 연구-사업분야입니다.

1. 양자 컴퓨팅 알고리즘 및 소프트웨어 개발
   양자 컴퓨팅을 위한 효과적인 알고리즘과 소프트웨어의 개발. 양자 최적화, 검색, 시뮬레이션 등의 알고리즘 개발이 포함.
   
2. 양자 하드웨어 및 시스템 구축
   초전도 회로, 이온 함정, 광학 레이저 등 다양한 기술이 실험중.
   
3. 양자 통신 및 암호화
   양자 통신은 양자 중첩과 얽힘 현상을 이용하여 정보를 전송하는 기술. 양자 인터넷에 대한 논의가 이어지는 중.
   
4. 양자 센서 및 측정
   양자 센서는 양자 효과를 이용, 극도로 정확한 측정을 수행. 지진 예측, 의료 진단, 환경 모니터링 등.
   
5. 양자 재료 및 화학 연구
   재료과학과 화학에의 이론적 모델링 적용 연구. 재료 설계, 에너지 저장, 약물 설계 등에 활용여부 연구중
   
6. 양자 인공 지능 및 머신 러닝
   머신 러닝과 AI에 적용. 양자 컴퓨터의 계산 능력으로 대규모 데이터 분석과 패턴 인식을 수행.
   
7. 교육 및 훈련
   양자 컴퓨팅의 복잡성과 독특성 때문에, 이 분야의 전문가를 양성도 신사업분야가 됨.

양자 컴퓨팅 개발현황

세계 여러 국가에서 양자 컴퓨팅 개발에 대한 투자와 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 미국, 유럽, 중국, 캐나다 등이 양자 컴퓨팅의 선두 주자로 꼽히며, 이러한 국가들은 정부와 기업, 대학과의 협력을 통해 양자 컴퓨팅 분야에서 급속하게 진전하고 있습니다. 또한 현재 우리가 알고 있는 유명 IT 기업들은 대부분 양자 컴퓨팅에 관심을 가지고 있다고 보면 될 것입니다.

기업명	주가정보	개발현황
IBM	IBM	433큐비트의 오스프리 프로레서 출시. 초전도 양자컴퓨터를 클라우드 서비스 기반으로 제공하는 ‘IBM Quantum Experience’ 가 현재 서비스 중. 일반인도 무료로 사용 가능하기에, 연구는 물론 게임게발에도 이용중
구글	GOOGL	영하 269도의 진공상태에서 작동하는 53큐비트 양자 프로세서 ‘시카모어(Sycamore)’ 개발해 슈퍼컴퓨터로 1만년 걸리는 연산을 200초에 해결함. 72큐비트 양자 프로세서 ‘브리슬콘(Bristlecone)’ 공개
마이크로소프트	MSFT	하드웨어 레벨에서 고유한 안정성을 갖춘 완전히 새로운 큐비트를 설계중. 하드웨어, 소프트웨어 양면으로 양자 컴퓨터 개발에 집중하고 있으며, 독자 컴퓨터 개발 로드맵 공개
NVIDIA	NVDA	클래식 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅 기술을 결합한 하이브리드 솔루션인 ‘엔비디아 코다(QODA·Quantum Optimized Device Architecture)’를 발표. 이미 양자 기술을 이용하는 수십 개의 조직이 엔비디아의 소프트웨어 쿠퀀텀 활용중.
인텔	INTC	터널 폴스(Tunnel Falls)라고 명명한 최신 양자컴퓨터 칩 발표. 양자 제어 칩인 호스리지(Horse Ridge) 2 개발. 하지만 명확한 양자컴퓨터 로드맵은 발표되지 않음.
D 웨이브	QBTS	캐나다 회사인 D 웨이브 세계 최초 상용 양자컴퓨터 출시. 5천 큐비트의 양자 컴퓨터를 로스 알라모스 국립 연구소에 판매, 록히드 마틴 등에 납품
허니웰	HON	허니웰은 양자볼륨 64인 양자컴퓨터를 개발, 초고진공 챔버를 액체 헬륨으로 극저온으로 냉각한뒤 이온 트랩을 설치하는 방식의 양자컴퓨터를 개발.
아이온큐	IONQ	듀크대 김정상 교수가 창업자로 참여, ‘이온 트랩’ 방식을 활용. 정확도는 높지만, 29큐비트 수준. 양자컴퓨터를 상온에서 운용하여 사이즈를 줄이려 노력.

결론

양자 컴퓨터 일반인들이 그 혜택을 볼 수 있는 수준으로 개발되기만 한다면 매우 혁신적인 컴퓨팅 패러다임이기 때문에, 다양한 분야에서 놀라운 변화를 가져올 것이 확실합니다. 아직은 개발 초기이기 때문에 개발의 표준적 프로세스 또한 존재하지 않으며, 개발과정에서의 어려움에도 불구하고, 현재 개발과 투자는 폭발적으로 이루어지고 있습니다.

아직은 초기시장인 양자컴퓨터와 관련 산업에 대해 미리 알아 놓으셔야, 향후의 폭발적 성장의 기회를 함께 잡으실 수 있으리라 생각됩니다. 양자컴퓨터 원리, 양자컴퓨터 개발현황, 양자컴퓨터 관련주 등을 정리해 놓았으니, 필요할 때마다 참고하시길 바랍니다. 새로운 내용이 있을 시 업데이트 하도록 하겠습니다.

HBM 메모리의 뜻과 장단점 5가지 알아보기

BGA IC 패키징 기술의 5가지 장점 이해하기