2018 양자 컴퓨팅과 기업··· 기억해야 할 3가지

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양자 컴퓨팅(Quantum Computing)에 대해 가장 먼저 알아야 할 점은 양자 컴퓨팅이 전통적인 또는 ‘일반적인’ 컴퓨팅을 대체하지 않는다는 것이다. 두 번째는 양자 컴퓨팅은 아직 초기 기술이며 본격적인 궤도에 오르기까지 아직 몇 년은 더 걸릴 수 있다는 점이다.

세 번째 알아야 할 점은? 바로 지금부터 양자 컴퓨터로부터 데이터를 보호해야 한다는 것이다.

양자 컴퓨팅에 대해 알아야 할 사항을 개략적으로 정리하면 다음과 같다.



양자 컴퓨팅이란
우리가 수십 년 동안 사용해온 일반적인 컴퓨터는 2진수 비트 배열을 사용한다. 각 비트는 항상 두 가지 확정적 상태인 0 또는 1 중 하나이며, 0과 1은 온/오프 스위치로 작용해서 컴퓨터 기능을 수행한다. 반면 양자 컴퓨터는 양자 비트, 즉 큐비트를 사용한다. 각 큐비트는 0과 1을 동시에 나타낼 수 있다. 따라서 양자 컴퓨터는 일반적인 컴퓨터에 비해 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있으며, 방대한 양의 계산을 병렬로 몇 초 만에 처리할 수 있는 잠재력을 지녔다. 가장 빠른 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 속도다.

양자 컴퓨팅 용어
양자 컴퓨팅 용어 몇 가지를 간단히 정리하면 다음과 같다.

양자역학 : 양자 물리학이라고도 하며, 원자와 아원자 입자 관점에서 자연을 설명하는 물리학 이론이다. 양자 컴퓨터는 중첩, 얽힘과 같은 양자역학 현상을 기반으로 한다.

중첩(Superposition) : 큐비트는 중첩이라는 양자역학 원리를 통해 한 번에 두 가지 이상이 될 수 있다. 가트너 데이터 센터및 클라우드 인프라 리서치 담당 부사장 매튜 브리스는 중첩은 양자 컴퓨터에 속도, 병렬성을 부여하며 동시에 수백만 개의 계산을 실행할 수 있도록 한다고 말했다.

다르게 표현해 보자. 기존 컴퓨터 비트에서 고양이는 죽거나 살아 있거나 둘 중 하나다. 양자 컴퓨터 큐비트에서 고양이는 중첩 덕분에 죽은 동시에 살아 있을 수 있다. (이 고양이 비유는 많은 사람들이 양자 컴퓨팅을 설명할 때 사용한다. 그 기원은 1935년 오스트리아 물리학자 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이다.)

얽힘(Entanglement): 얽힘은 큐비트가 다른 큐비트와 연결되어 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 의존할 수 있는 경우를 말한다. 얽힘과 중첩이 결합되면 양자 컴퓨터는 방대한 수의 가능한 결과를 동시에 처리할 능력을 지니게 된다.

결론적으로 브리스는 “양자 컴퓨팅을 통해 엄청난 규모의 병렬 시스템에서 과거에는 하지 못했던 것을 할 수 있게 된다”고 말했다.

양자 컴퓨팅의 기원
2차 세계대전 중 핵폭탄 개발에 기여하기도 한 물리학자 리차드 파인만이 1959년 강의 중 양자 컴퓨팅의 가능성을 언급했다. 파인만과 폴 베니오프를 비롯한 학자들의 연구에 힘입어 1980년대 초반부터 양자 컴퓨팅의 개념이 본격적으로 논의되기 시작했다.

IBM의 양자 컴퓨팅 CTO 밥 위스니프는 “1980년대 초반에 이르러 일반적인 컴퓨팅 외에 양자역학의 규칙을 사용해 계산을 할 수 있다는 사실이 명확해졌다. 문제는 양자역학 기반의 컴퓨터가 있다면 어떤 종류의 계산을 더 쉽고 빠르게 할 수 있느냐였다. IBM은 그 질문에 대한 답을 찾고자 양자 컴퓨팅 연구를 시작했다”고 말했다.

지금 양자 컴퓨팅에 대해 이야기하는 이유
물론 양자 컴퓨팅은 아직 유아기다. 브리스에 따르면 양자 컴퓨팅 프로젝트를 위한 예산을 편성하는 조직은 전체의 1%에 불과하다. 그러나 이 수치는 2023년까지 20%로 증가할 전망이다.

그렇다면 양자 컴퓨팅이 지금 레이더 화면에서 요란하게 깜박이는 이유는 무엇일까?

IDC의 전세계 인프라 컴퓨팅 플랫폼 부문 프로그램 부사장인 아시시 내드카니는 “기존 컴퓨터로 할 수 있는 일의 한계에 도달하고 있다. 전부는 아니더라도 많은 전문가들이 무어의 법칙이 끝나거나 최소한 진행 속도가 극히 느려질 것으로 예상한다. 이와 동시에 구글을 비롯한 점점 더 많은 기업에서 끊임없이 더 높은 계산 성능을 필요로 하고 있다”고 설명했다. 양자 컴퓨팅에 대한 관심이 증가하는 이유다.

양자 컴퓨팅 응용 분야
현재 양자 컴퓨터는 한정된 비즈니스 애플리케이션과 특정 양자 알고리즘만 실행할 수 있다. 일각에서는 양자 컴퓨터가 앞으로도 범용보다는 특수 용도로 제한될 것으로 예상한다. 또한 현업 전문가 대부분은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터를 대체하기보다는 통합 및 연계 운용될 것으로 전망한다.

이를 감안하면 양자 컴퓨터는 몇 초 이내에 방대한 양의 데이터를 처리해야 하는 상황에서 사용될 가능성이 가장 높다. 내드카니는 “특히 금융 서비스 기업은 거래와 관련된 데이터의 양이 많고 결과를 몇 초 이내에 시뮬레이션하고자 하므로 양자 컴퓨팅으로 혜택을 얻을 가능성이 높다”고 말했다.

그 외에 약물 및 생명공학 연구, 유전자 조작과 시뮬레이션, 양자 화학, 인공 지능, 트래픽 패턴 분석, 기상 예측 및 암호학 분야가 양자 컴퓨팅의 유력한 응용 분야로 꼽힌다. 브리스는 “양자 컴퓨터는 특히 배송 물류와 같은 대규모 최적화 문제 해결에 유용할 것”이라고 말했다.

양자 컴퓨팅과 IBM
IBM은 초기 양자 컴퓨팅 분야를 개척 중인 전통적인 컴퓨팅 대기업 중 하나다. IBM은 양자 컴퓨팅 분야를 형성하는 데 기여했으며, 수십년 전부터 양자 컴퓨팅을 중요한 연구 영역으로 두고 있다.


IBM은 2016년 5월 4일 일반 대중이 클라우드를 통해 IBM 양자 컴퓨터에 연결할 수 있게 해주는 세계 최초의 양자 컴퓨팅 서비스(QCaaS)인 IBM 퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience, 이후 IBM Q 익스피리언스로 줄임)를 발표했다. 목표는 사용자들이 실험을 하고 자습서와 시뮬레이션을 살펴보고 그 외에 양자 컴퓨팅을 체험하도록 하는 것이다.

IBM의 Q 익스피리언스는 처음에는 IBM의 뉴욕 T.J. 왓슨 리서치 센터(Watson Research Center)에 위치한 5큐비트 IBM Q 퀀텀 컴퓨터를 제공했으며, 이후 16큐비트 시스템도 추가했다. 또한 IBM은 2017년 12월 포춘 500대 기업, 연구소 및 학계 조직을 중심으로 비즈니스와 과학을 위한 실용적인 양자 컴퓨팅 응용 분야를 집중 연구하기 위한 글로벌 컨소시엄인 IBM Q 네트워크를 출범했다.

현재 IBM에 따르면, 2018년 5월 8만 명의 IBM Q 익스피리언스 사용자가 400만 회 이상의 실험을 실시했으며, 관련 발표 연구 논문의 수는 65개 이상이다.

그 외에 양자 컴퓨팅 업체로는 구글, 인텔, 마이크로소프트, 그리고 신생 업체인 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing), D-웨이브 시스템(D-Wave Systems, Inc.), 자파타 컴퓨팅(Zapata Computing) 등이 있다.

양자 컴퓨팅에 대비해서 기업에서 해야 할 일
양자 안전 암호화 개발. 양자 컴퓨터는 전례 없이 방대한 양의 수치를 말 그대로 순식간에 계산할 수 있으므로 현존하는 가장 강력한 암호화도 언젠가 깰 수 있으리라는 우려가 팽배하다.

IBM 리서치의 하이브리드 클라우드 부문 선임 부사장 아빈드 크리시나는 “규모만 충분히 크다면 양자 컴퓨터로 모든 암호화를 즉각 풀 수 있다”고 말했다. 크리시나는 그러한 상황이 현실화되려면 최소 5년 이상 필요하다고 예상했다. 그렇다 해도 조직의 데이터를 10년 이상 안전하게 보호하고자 한다면, 지금부터 래티스(lattice) 암호화와 같은 양자 안전 암호화로 전환을 시작해야 한다.

양자 컴퓨터에 대한 투자 대비 양자 컴퓨팅 서비스(QCaaS)와 효용성 분석. 대부분의 전문가는 양자 컴퓨팅 기술의 빠른 변화 속도와 기타 여러 요소를 고려해 기업 조직이 QCaaS를 택하게 될 것으로 전망한다. 내드카니는 “자본 지출 없이 사용한 만큼만 지불하면 된다”고 덧붙였다.

기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제 파악. 브리스는 양자 컴퓨팅이 조직에 적합한지 여부를 판단할 때 먼저 해야 할 일은 데이터 과학자에게 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제가 있는지 묻는 것이라며 “이러한 문제는 양자 컴퓨터의 유력한 사용처”라고 말했다.

지금 바로 본인 또는 팀 교육 실시. 위스니프는 전 세계적으로 양자 컴퓨팅 과정을 커리큘럼으로 제공하는 학교는 약 1,500곳이며, 온라인 교육도 급격히 증가하고 있다고 말했다. 물론 교육은 양자 컴퓨팅의 미래를 위한 필수 요소다. 위스니프는 “양자 컴퓨팅을 실현할 교육된 인력이 없이는 양자 컴퓨팅도 없다”고 말했다.

인내심을 가질 것. 양자 컴퓨팅이 본격적인 궤도에 오르기까지는 아직 5년 정도의 시간이 더 필요하다. 위스니프는 그 사이 양자 컴퓨터가 양자 이점(또는 양자 우월성)을 제대로 제공할 수 있는 응용 분야가 등장하기 시작할 것이라고 말했다.

신중하게 진행. 브리스는 “현재 양자 컴퓨팅 기술은 여러 가지지만 표준은 없고, 프로세서도 모두 견본용 프로세서”라며 “지금은 말 그대로 회로의 전원을 켜고 ‘야호, 회로가 완성됐다!’고 외치는 수준이다. 즉, 양자 컴퓨팅에 대해 무엇을 모르는지 아직 모른다. 상온 핵융합처럼 쓸모 없는 것일 수도 있고, 아주 근사한 것일 수도 있다”고 말했다.

어쩌면 슈뢰딩거도 깜짝 놀랄 대단한 기술이 될 수도 있다. editor@itworld.,co.kr