한국IBM이 2일 미디어를 대상으로 최신 퀀텀 컴퓨팅 기술 현황 및 전망에 대해 설명하는 교육 세션을 진행했다.

▲ 한국IBM CTO 엄경순 전무(사진출처: 한국IBM 제공)

이번 교육 세션에는 한국IBM CTO 엄경순 전무가 ‘퀀텀 컴퓨팅과 IBM Q’라는 제목으로 퀀텀 컴퓨팅의 개념 및 특징, 활용 방안 등을 설명하고, 이 분야에서 IBM이 그동안 이뤄온 연구성과와 전략에 대해 소개했다. 발표 내용을 요약 정리한다.

◆퀀텀컴퓨팅 적용영역은 ‘화학·인공지능·금융서비스’ = 퀀텀(Quantum)이란 용어는 물리학의 양자를 의미하면서도 비약적인 발전을 뜻하기도 한다.

퀀텀 컴퓨팅(Quantum Computing)이라는 말은 1981년 5월 IBM과 MIT가 공동 개최한 컴퓨팅 물리학 컨퍼런스에서 처음 나왔다. 50명의 석학들이 모인 이 자리에는 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)도 있었는데 그는 “고전 이론과 관련된 모든 분석에 만족하지 않는다. 왜냐하면 자연은 고전이 아니며, 제멋대로이다. 자연의 시뮬레이션을 만들고 싶다면 양자(quantum) 기계...”라고 말했다.

왜 퀀텀 컴퓨팅이 필요할까? 예를 들어보자. 커피의 카페인에는 잠이 오지 않는 성분이 있다고 알고 있는데 그 이유는 정확히 밝혀지지 않았다. 이것을 분석하려면 전통적인 컴퓨터의 경우 10의 48승의 비트가 필요하다. 현재 컴퓨팅 파워로는 절대 풀 수 없다는 얘기다.

퀀텀컴퓨팅의 적용 영역은 크게 3가지로, 화학(재료 설계, 오일 및 가스, 신약 개발), 인공지능(분류, 머신러닝), 금융서비스(포트폴리오 최적화, 시나리오 분석, 가격)가 그것이다.

화학분야에 적용된 퀀텀 컴퓨팅은 2017년 9월 네이처(nature)지에 게재된 바 있다. 퀀텀컴퓨팅은 비즈니스나 과학에서의 아주 어려운 문제를 풀 수 있는 새로운 길을 제시한다.

퀀텀컴퓨팅 발전단계는 파운데이션, 레디, 어드밴티지 등 3단계로 이뤄져 있는데 현재는 레디와 어드밴티지의 중간 단계이다. 어드밴티지 단계는 상용화 수준이다.

◆퀀텀컴퓨팅은 어떻게 작동하는가? = 전통적인 컴퓨터는 가장 작은 정보 단위인 비트(bit)의 이진법을 사용해서 정보를 계산하고 처리한다. 비트는 0과 1 중 한 개 값 밖에 갖지 못한다. 비트 하나 당 한 가지 정보가 저장되니 1000개의 정보를 저장하려면 최소 1000 비트가 필요하다.

퀀텀 컴퓨터도 비트를 사용하긴 하지만 단순하게 0 또는 1이 아닌, 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트(qubits)를 사용한다. 2개의 큐비트로는 00, 01, 10, 11의 상태를 동시에 표현할 수 있다. 큐비트가 10개라면 2의 10승 즉 1024개의 연산이 가능하다. 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량이 기하급수적으로 늘어난다.

IBM은 2016년 5월, IBM 클라우드에서 활용할 수 있는 5큐비트 퀀텀 컴퓨터 ‘IBM Q’를 발표하고, 이어 2017년에는 20큐비트 제품을 상용화했다. 올해는 50큐비트 제품을 내놓을 계획이다.

퀀텀 컴퓨팅은 0과 1이 단일 퀀텀 비트에 동시에 존재하는 ‘중첩(superposition)’과 큐비트 간에 서로 영향을 주고받는 ‘얽힘(entanglement)’이라는 특성을 갖고 있다.

퀀텀 컴퓨팅의 종류는 크게 3가지로 첫째는 궁극적인 목표로 삼고 있는 범용 폴트 톨로런트 퀀텀컴퓨터, 둘째는 약간의 에러가 허용되는 중간 단계의 컴퓨터, 그리고 셋째는 퀀텀을 흉내 낸 컴퓨터이다. 범용 폴트 톨로런트 퀀텀 컴퓨터를 구현하려면 100만~500만개의 큐비트가 필요할 것으로 추정된다.

2017년 초에 IBM은 단기적인 목표로 앞으로 5년 안에 범용 퀀텀 컴퓨터(Universal Quantum Computer)를 클라우드 서비스 형태로 상용화할 계획이라고 발표했다.

◆‘큐 네트워크’에 삼성전자 등 참여 = IBM은 뉴욕 왓슨 연구소에 설치돼 있는 ‘IBM Q’에 학생들과 과학자들이 IBM 클라우드를 통해 접속해 경험할 수 있는 ‘큐 익스피리언스(Q Experience)’를 제공하고 있다.

또 2017년 11월에는 기업이나 연구소 등과 협업하는 생태계 모델인 ‘큐 네트워크(Q Network)’를 론칭했다. 큐 네트워크는 허브, 파트너, 스타트업 등 3가지의 형태로 운영되고 있다.

허브는 각 지역별 퀀텀 컴퓨팅의 연구개발 센터로 영국 옥스퍼드 대학, 일본 게이오 대학, 호주 멜버른 대학 등이 대표적이다. 현재 허브 가운데 활동이 가장 활발한 곳은 일본이다. 파트너는 특수한 산업 또는 학술 영역에서 활동하고 있는 곳으로 삼성전자를 포함해 글로벌 10여 개 회사가 참여하고 있다.

가까운 미래의 컴퓨팅은 워크로드 특성에 따라 하이브리드 컴퓨팅 모델이 사용될 것이다. 하나의 문제를 풀기 위해 최적화 모델을 수행하는 것은 전통적인 컴퓨터가, 다양한 경우의 수와 상태를 시뮬레이션 해야 하는 경우에는 퀀텀 컴퓨터가 적합할 것이다.

<박시현 기자> pcsw@bikorea.net