2018.05.15

이재용 칼럼 | 양자 컴퓨터과 인공지능의 대중화

이재용 | CIO KR
물리학의 발전이 양자역학을 과학의 수준에서 공학의 수준으로 바꿔내고 있다. 이번 컬럼에서는 양자컴퓨터와 인공지능 활용의 대중화 시대에 대하여 살펴 본다.

양자 컴퓨터가 우리 생활에 빠르게 다가오고 있다. 2010년 전후까지만 해도 긍정론과 부정론이 함께 있었으나 이제는 긍정론이 대세를 이루면서 실용화 단계에 접어드는 양상이다.

서던 코네티컷 주립대학교의 크린트 볼턴(Clint Boulton)은 2021년까지 포춘지 선정 500대 기업 가운데 약 20%가 양자 컴퓨터와 관련된 예산을 책정하리라고 추정되고 있다며 급변하는 양자 컴퓨터의 투자 경향성을 소개하고 있다. 최근의 양자컴퓨터에 대한 큰 변화를 요약하면 다음과 같다.

- D wave가 2017년 1월 2000큐비트 양자 컴퓨터 시제품 발표
- IBM, 2017년 3월 양자 컴퓨터 IBM Q 공개
- 인텔이 2018년 1월 49큐비트 칩을 발표

이 밖에도 IBM도 20 큐비트 칩 개발을 완성하고 50큐비트 칩을 개발한 것으로 알려져 있다. 양자 컴퓨터의 개발이 빠르게 이뤄지고 있는 것이다.


큐비트 정보단위 (출처 : IBM)

그렇다면 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? 양자 컴퓨팅이란 0, 1, 그리고 0과 1의 조합을 동시에 나타내고 저장할 수 있는 양자 비트(quantum bits), 또는 큐비트(qubits)를 이용하여 데이터를 처리하는 것을 말한다. 이렇게 두 상태의 중첩이 가능해짐에 따라 정보 단위를 ‘bit’가 아닌 ‘matrix’로 표현되고 이에 따라 비트를 이용하는 존 폰 노이만형 컴퓨팅보다 훨씬 더 데이터 처리의 속도를 가속화 할 수 있다.

큐비트로 정보를 처리하기 위해서는 모든 것이 상호의존적인 중첩 상태에 있어야 하며 이 상태를 가리켜 양자 결집 상태(quantum-coherent state)라고 한다. 큐비트가 서로 결집되어 뒤얽혀 있는 상태로 존재하게 되는 것이다. 이 상태에서는 하나의 큐비트에 변화를 주면 이것이 나머지 큐비트에게 영향을 주어 변화하게 된다.

현재 큐비트들은 결잃음이 발생하기 전까지 양자 상태를 100 마이크로초 동안만 유지할 수 있으며, 퀀텀 컴퓨팅에는 이 순간을 이용해야 하는 어려움이 존재한다. 따라서 양자 컴퓨팅은 아주 극단적인 양상을 띤다. 쿨링에는 약 0.015 켈빈도의 온도를 유지 할 수 있어야 하는 이 온도를 유지하기 위해 물리학적 장치들이 따라 붙어야 한다.

즉 이렇게 복잡한 물리 장치 속에서 양자상태를 유지하는 순간을 이용하여 연산을 하게 되는데 기존의 컴퓨터들이 사용하는 결정형 튜링 머신에서 사용하는 ‘Boolean’ 연산이 아닌 ‘Linear Algebra’ 연산을 하게 되며 이를 비결정론 튜링 머신이라고 한다. 이는 문제에 대한 여러 가지 답을 동시에 계산할 수 있는 장치로 여러 가지 답중에서 최적의 해를 골라내는 방법이다.

비결정론적인 튜링 머신은 표준 해법이 존재하지 않는 복잡한 문제들을 해결할 수 있다. 다양한 원인과 요소들을 고려해야 하면서도 공식이 없는 문제를 해결할 것으로 기대되는 기술이다. 예를 들어 최적 경로를 찾는 문제나 암호 해독, 시장 분석 등의 복잡계 분석, 자연어 처리 같은 과제들을 해결 할 수 있다. 많은 기업들이 양자 컴퓨팅에 엄청난 투자를 하는 것은 오늘날의 최상급 수퍼컴퓨터보다도 훨씬 빠르게 데이터를 처리할 수 있기 때문이다. 50큐비트에서 이러한 속도가 가능해진다고 예상되고 있다. 그러나 큐비트 수가 증가할수록 양자 결집 상태를 유지하는 것이 어려워진다는 문제가 있으며, 양자컴퓨터의 성능은 양자 에러를 얼마나 줄일 수 있느냐에 달려 있다. (크린트 볼턴 컬럼 재구성)


IBM Q (출처 : IBM)

이와 같이 양자 컴퓨터는 데이터및 정보 관리의 새로운 패러다임을 제시하지만 현실적인 몇몇 문제점으로 인하여 진정한 의미의 양자컴퓨터로 인정 받지 못하고 있다. 문제점들은 크게 2가지로 요약할 수 있다.

첫번째로 PC처럼 각종 컴퓨팅 애플리케이션을 구동할 수 있는 구조를 가지지 못하여 범용컴퓨터로써의 위상을 가지지 못하고 있다.

두번째로 다양한 문제에 활용되기보다는 특수한 목적에 활용되므로 양자 컴퓨터를 운영할 수 있는 양자컴퓨터 관리자와 양자컴퓨터 프로그래밍 관리자의 양성이 요구된다.

이 두 가지 문제를 해결하기 위해서 먼저 나선 곳은 IBM이다. IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 개발자용 API와 SDK를 이 사이트를 통해 공개했다.

이곳에서는 5 큐비트 양자 컴퓨터를 누구나 이용해 볼 수 있도록 ‘퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience)’라는 클라우드 서비스를 제공하고 있다. 누구나 클라우드를 통해 IBM 연구소에 설치되어 있는 Q에서 양자 컴퓨터 알고리즘을 실행해 볼 수 있는 것이다. IBM Q를 이용하기 위한 GUI 인터페이스를 제공하고 있으며 이를 ‘퀀텀 컴포저(Quantum Composer)’로 명명하고 있다.


퀀텀 컴포저 인터페이스 (출처: IBM)

이 인터페이스에서 오선지와 같은 다섯 개의 바는 각각의 5 큐비트 프로세서와 대응하며, 우측에 블록 형태로 표시되는 ‘게이트(Gate)’라는 연산자를 선택해 붙여 나간다. 왼쪽에서 오른쪽 순서로 연산처리과 진행된다. 큐비드의 상태를 표현하는 분홍색 연산자는 ‘오퍼레이션(Operation)’이라 하는데 연산처리 결과를 출력하는 아이콘이다.

이에 대항하는 캐나다의 D-웨이브는 ‘Quantum Annealer’라는 방식의 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 이 방식은 양자 변동(Quantum Fluctuation)이라는 방법을 사용하는데, 이 방식이 진정한 의미의 양자 컴퓨터인지는 논쟁의 대상이다. 왜냐하면 2000쿼드비트 방식이라는 점에서 IBM이나 인텔에서 개발한 50, 49쿼드비트와는 기본적인 구조가 다르기 때문이다.


D-웨이브 2000Q (출처 D-WAVE)

인공지능 프로그래밍의 대중적 사용
퀀텀 컴퓨팅으로 인한 변화는 양자 컴퓨터의 개념에만 머물러 있지 않을 것이다. 인공지능 프로그램과 양자컴퓨터의 접합이 시도되고 있다. 이미 인공지능을 컴퓨터 전문가가 아닌 일반인에게 가르치기 위한 방법들이 연구되고 있는데 현재 국내의 주요 SI 업체 3곳의 회사에서 관련 기술을 론칭한 상태다.

- SK C&C : AIBRIL 블록형 인공지능 프로그래밍 도구
- 삼성 : BrityTM 대화형 자연어 처리 기반의 지능형 비서
- LG CNS : DAP AI 빅데이터 플랫폼

특히 SK C&C의 AIBRIL은 블록형 사용방식으로 누구나 쉽게 인공지능 프로그래밍을 제공할 수 있는 GUI를 제공하고 있다는 점에 주목할 만하다. 이는 대중이 인공지능과 양자 컴퓨팅을 활용할 수 있다는 것을 의미한다.

IBM과 인텔이 50, 49 큐비트(Qubit) 양자 컴퓨터를 개발했다는 사실은, 알란 튜링(Alan Turing)의 튜링 모델과 존 폰 노이만(John von Neumann)형 컴퓨터의 ‘stored programming’의 개념이 70년만에 깨지면서고 두뇌와 유사한 컴퓨터 구조가 출현한다는 것을 의미한다. 최근 각광을 받고 있는 인공지능 머신러닝, 빅데이터 등을 처리하는데 가장 적합한 구조로 평가되고 있다. 만일 퀀텀 컴퓨팅 기술이 상용화되고 그때까지 축적된 머신러닝/인공지능 기술과 결합하게 되면 어떤 일이 벌어질까?

인공지능과 양자컴퓨터 사용의 대중화
인공지능 프로그래밍의 대중화와 양자 컴퓨터의 대중화가 만났을 때 그 다음 우리 일상에서 벌어질 일에 주의를 기울일 필요가 있다. 먼저 빅데이터와 인공지능 그리고 양자 컴퓨터를 일반인이 대중적으로 활용할 것이다..

당장 구글은 현재 운영중인 자율 주행 시스템에 양자 컴퓨터 기술을 접목하려고 하는 것으로 알려져 있다. 기존 기술로 수백, 수천대 가지 동시에 운행 중인 차량의 개별적 움직임을 파악하는 것은 불가능하다. 하지만 양자 컴퓨터는 정확히 교통 흐름을 파악할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그 다음은 단연코 의식의 문제에 접근하려 할 것이다. 그리고 그보다 멀리는 특이점이 지향하는 의식의 탄생과 관련될 것이다. 생물학적 정보 네트워크를 통한 복잡한 지식 체계 구성이나 신경계를 통한 정보 전달 체계 등 생명계에서 밝혀진 양자역학적 기제가 양자두뇌 등에 적용될 가능성이 높다. 생명과학의 과정에 양자인공지능이 접목될 시점이 다가오고 있다.

* 한서대학교에 근무하는 이재용 교수는 4차산업혁명 진로/학업 컨설턴트로써 사용성공학, 프로그래밍심리학, 심리정보과학, 인간이동체인터페이스의 연구, 강연 및 소통 교육을 하고 있다. 4차 산업혁명의 지향점을 인간심리요소의 4가지 컴퓨팅 개념화 파라다임으로 설명하는 컴퓨터공학자이자 심리정보학자이다. 심리정보과학(Psychological Informatics)을 통하여 특정 프로젝트나 제품, 연구가 4차 산업혁명의 지향점 중 어떤 위치에 해당하는지를 확인해 볼 수 있는 <특이점 지도>를 만들기 위해 노력하고 있다. ciokr@idg.co.kr 
2018.05.15

이재용 칼럼 | 양자 컴퓨터과 인공지능의 대중화

이재용 | CIO KR
물리학의 발전이 양자역학을 과학의 수준에서 공학의 수준으로 바꿔내고 있다. 이번 컬럼에서는 양자컴퓨터와 인공지능 활용의 대중화 시대에 대하여 살펴 본다.

양자 컴퓨터가 우리 생활에 빠르게 다가오고 있다. 2010년 전후까지만 해도 긍정론과 부정론이 함께 있었으나 이제는 긍정론이 대세를 이루면서 실용화 단계에 접어드는 양상이다.

서던 코네티컷 주립대학교의 크린트 볼턴(Clint Boulton)은 2021년까지 포춘지 선정 500대 기업 가운데 약 20%가 양자 컴퓨터와 관련된 예산을 책정하리라고 추정되고 있다며 급변하는 양자 컴퓨터의 투자 경향성을 소개하고 있다. 최근의 양자컴퓨터에 대한 큰 변화를 요약하면 다음과 같다.

- D wave가 2017년 1월 2000큐비트 양자 컴퓨터 시제품 발표
- IBM, 2017년 3월 양자 컴퓨터 IBM Q 공개
- 인텔이 2018년 1월 49큐비트 칩을 발표

이 밖에도 IBM도 20 큐비트 칩 개발을 완성하고 50큐비트 칩을 개발한 것으로 알려져 있다. 양자 컴퓨터의 개발이 빠르게 이뤄지고 있는 것이다.


큐비트 정보단위 (출처 : IBM)

그렇다면 양자 컴퓨팅이란 무엇인가? 양자 컴퓨팅이란 0, 1, 그리고 0과 1의 조합을 동시에 나타내고 저장할 수 있는 양자 비트(quantum bits), 또는 큐비트(qubits)를 이용하여 데이터를 처리하는 것을 말한다. 이렇게 두 상태의 중첩이 가능해짐에 따라 정보 단위를 ‘bit’가 아닌 ‘matrix’로 표현되고 이에 따라 비트를 이용하는 존 폰 노이만형 컴퓨팅보다 훨씬 더 데이터 처리의 속도를 가속화 할 수 있다.

큐비트로 정보를 처리하기 위해서는 모든 것이 상호의존적인 중첩 상태에 있어야 하며 이 상태를 가리켜 양자 결집 상태(quantum-coherent state)라고 한다. 큐비트가 서로 결집되어 뒤얽혀 있는 상태로 존재하게 되는 것이다. 이 상태에서는 하나의 큐비트에 변화를 주면 이것이 나머지 큐비트에게 영향을 주어 변화하게 된다.

현재 큐비트들은 결잃음이 발생하기 전까지 양자 상태를 100 마이크로초 동안만 유지할 수 있으며, 퀀텀 컴퓨팅에는 이 순간을 이용해야 하는 어려움이 존재한다. 따라서 양자 컴퓨팅은 아주 극단적인 양상을 띤다. 쿨링에는 약 0.015 켈빈도의 온도를 유지 할 수 있어야 하는 이 온도를 유지하기 위해 물리학적 장치들이 따라 붙어야 한다.

즉 이렇게 복잡한 물리 장치 속에서 양자상태를 유지하는 순간을 이용하여 연산을 하게 되는데 기존의 컴퓨터들이 사용하는 결정형 튜링 머신에서 사용하는 ‘Boolean’ 연산이 아닌 ‘Linear Algebra’ 연산을 하게 되며 이를 비결정론 튜링 머신이라고 한다. 이는 문제에 대한 여러 가지 답을 동시에 계산할 수 있는 장치로 여러 가지 답중에서 최적의 해를 골라내는 방법이다.

비결정론적인 튜링 머신은 표준 해법이 존재하지 않는 복잡한 문제들을 해결할 수 있다. 다양한 원인과 요소들을 고려해야 하면서도 공식이 없는 문제를 해결할 것으로 기대되는 기술이다. 예를 들어 최적 경로를 찾는 문제나 암호 해독, 시장 분석 등의 복잡계 분석, 자연어 처리 같은 과제들을 해결 할 수 있다. 많은 기업들이 양자 컴퓨팅에 엄청난 투자를 하는 것은 오늘날의 최상급 수퍼컴퓨터보다도 훨씬 빠르게 데이터를 처리할 수 있기 때문이다. 50큐비트에서 이러한 속도가 가능해진다고 예상되고 있다. 그러나 큐비트 수가 증가할수록 양자 결집 상태를 유지하는 것이 어려워진다는 문제가 있으며, 양자컴퓨터의 성능은 양자 에러를 얼마나 줄일 수 있느냐에 달려 있다. (크린트 볼턴 컬럼 재구성)


IBM Q (출처 : IBM)

이와 같이 양자 컴퓨터는 데이터및 정보 관리의 새로운 패러다임을 제시하지만 현실적인 몇몇 문제점으로 인하여 진정한 의미의 양자컴퓨터로 인정 받지 못하고 있다. 문제점들은 크게 2가지로 요약할 수 있다.

첫번째로 PC처럼 각종 컴퓨팅 애플리케이션을 구동할 수 있는 구조를 가지지 못하여 범용컴퓨터로써의 위상을 가지지 못하고 있다.

두번째로 다양한 문제에 활용되기보다는 특수한 목적에 활용되므로 양자 컴퓨터를 운영할 수 있는 양자컴퓨터 관리자와 양자컴퓨터 프로그래밍 관리자의 양성이 요구된다.

이 두 가지 문제를 해결하기 위해서 먼저 나선 곳은 IBM이다. IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 개발자용 API와 SDK를 이 사이트를 통해 공개했다.

이곳에서는 5 큐비트 양자 컴퓨터를 누구나 이용해 볼 수 있도록 ‘퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience)’라는 클라우드 서비스를 제공하고 있다. 누구나 클라우드를 통해 IBM 연구소에 설치되어 있는 Q에서 양자 컴퓨터 알고리즘을 실행해 볼 수 있는 것이다. IBM Q를 이용하기 위한 GUI 인터페이스를 제공하고 있으며 이를 ‘퀀텀 컴포저(Quantum Composer)’로 명명하고 있다.


퀀텀 컴포저 인터페이스 (출처: IBM)

이 인터페이스에서 오선지와 같은 다섯 개의 바는 각각의 5 큐비트 프로세서와 대응하며, 우측에 블록 형태로 표시되는 ‘게이트(Gate)’라는 연산자를 선택해 붙여 나간다. 왼쪽에서 오른쪽 순서로 연산처리과 진행된다. 큐비드의 상태를 표현하는 분홍색 연산자는 ‘오퍼레이션(Operation)’이라 하는데 연산처리 결과를 출력하는 아이콘이다.

이에 대항하는 캐나다의 D-웨이브는 ‘Quantum Annealer’라는 방식의 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 이 방식은 양자 변동(Quantum Fluctuation)이라는 방법을 사용하는데, 이 방식이 진정한 의미의 양자 컴퓨터인지는 논쟁의 대상이다. 왜냐하면 2000쿼드비트 방식이라는 점에서 IBM이나 인텔에서 개발한 50, 49쿼드비트와는 기본적인 구조가 다르기 때문이다.


D-웨이브 2000Q (출처 D-WAVE)

인공지능 프로그래밍의 대중적 사용
퀀텀 컴퓨팅으로 인한 변화는 양자 컴퓨터의 개념에만 머물러 있지 않을 것이다. 인공지능 프로그램과 양자컴퓨터의 접합이 시도되고 있다. 이미 인공지능을 컴퓨터 전문가가 아닌 일반인에게 가르치기 위한 방법들이 연구되고 있는데 현재 국내의 주요 SI 업체 3곳의 회사에서 관련 기술을 론칭한 상태다.

- SK C&C : AIBRIL 블록형 인공지능 프로그래밍 도구
- 삼성 : BrityTM 대화형 자연어 처리 기반의 지능형 비서
- LG CNS : DAP AI 빅데이터 플랫폼

특히 SK C&C의 AIBRIL은 블록형 사용방식으로 누구나 쉽게 인공지능 프로그래밍을 제공할 수 있는 GUI를 제공하고 있다는 점에 주목할 만하다. 이는 대중이 인공지능과 양자 컴퓨팅을 활용할 수 있다는 것을 의미한다.

IBM과 인텔이 50, 49 큐비트(Qubit) 양자 컴퓨터를 개발했다는 사실은, 알란 튜링(Alan Turing)의 튜링 모델과 존 폰 노이만(John von Neumann)형 컴퓨터의 ‘stored programming’의 개념이 70년만에 깨지면서고 두뇌와 유사한 컴퓨터 구조가 출현한다는 것을 의미한다. 최근 각광을 받고 있는 인공지능 머신러닝, 빅데이터 등을 처리하는데 가장 적합한 구조로 평가되고 있다. 만일 퀀텀 컴퓨팅 기술이 상용화되고 그때까지 축적된 머신러닝/인공지능 기술과 결합하게 되면 어떤 일이 벌어질까?

인공지능과 양자컴퓨터 사용의 대중화
인공지능 프로그래밍의 대중화와 양자 컴퓨터의 대중화가 만났을 때 그 다음 우리 일상에서 벌어질 일에 주의를 기울일 필요가 있다. 먼저 빅데이터와 인공지능 그리고 양자 컴퓨터를 일반인이 대중적으로 활용할 것이다..

당장 구글은 현재 운영중인 자율 주행 시스템에 양자 컴퓨터 기술을 접목하려고 하는 것으로 알려져 있다. 기존 기술로 수백, 수천대 가지 동시에 운행 중인 차량의 개별적 움직임을 파악하는 것은 불가능하다. 하지만 양자 컴퓨터는 정확히 교통 흐름을 파악할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

그 다음은 단연코 의식의 문제에 접근하려 할 것이다. 그리고 그보다 멀리는 특이점이 지향하는 의식의 탄생과 관련될 것이다. 생물학적 정보 네트워크를 통한 복잡한 지식 체계 구성이나 신경계를 통한 정보 전달 체계 등 생명계에서 밝혀진 양자역학적 기제가 양자두뇌 등에 적용될 가능성이 높다. 생명과학의 과정에 양자인공지능이 접목될 시점이 다가오고 있다.

* 한서대학교에 근무하는 이재용 교수는 4차산업혁명 진로/학업 컨설턴트로써 사용성공학, 프로그래밍심리학, 심리정보과학, 인간이동체인터페이스의 연구, 강연 및 소통 교육을 하고 있다. 4차 산업혁명의 지향점을 인간심리요소의 4가지 컴퓨팅 개념화 파라다임으로 설명하는 컴퓨터공학자이자 심리정보학자이다. 심리정보과학(Psychological Informatics)을 통하여 특정 프로젝트나 제품, 연구가 4차 산업혁명의 지향점 중 어떤 위치에 해당하는지를 확인해 볼 수 있는 <특이점 지도>를 만들기 위해 노력하고 있다. ciokr@idg.co.kr 
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