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2018.05.25 James A. Martin  |  Network World
퀀텀 컴퓨팅(quantum computing), 다른 말로 양자 컴퓨팅에 대해 알아야 할 첫 번째 사실은 기존의 '고전적' 컴퓨팅을 대체하는 기술이 아니라는 점이다. 두 번째로 알아야 할 점은 퀀텀 컴퓨팅이 향후 몇 년은 전성기를 맞이할 준비가 되지 않은 초기 기술이라는 부분이다.

세 번째로 알아야 할 것은 무엇일까? 이제는 퀀텀 컴퓨터로 인한 데이터 보안 문제에 대비하기 시작할 때라는 사실이다. 여기 퀀텀 컴퓨팅에 대해 알아야 할 주요 내용을 준비했다.



퀀텀 컴퓨팅에 대한 설명
우리가 수십 년간 사용해 온 기존 컴퓨터는 일련의 2진 비트를 사용한다. 각 비트는 컴퓨터 기능을 구동하기 위해 스위치를 켜고 끄는 역할을 하는 0 또는 1의 두 가지 상태 중 하나에 항상 있다. 그와 반대로 퀀텀 컴퓨터는 양자 비트 또는 큐비트(qubit)를 사용한다. 각 큐비트는 0과 1을 동시에 나타낼 수 있다. 결과적으로 퀀텀 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 많은 정보를 저장할 수 있으며, 지금까지 가장 빠른 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 수 초 내에 많은 양의 계산을 병렬처리 할 수 있다.

퀀텀 컴퓨팅 용어
먼저 이해를 위해 몇 가지 퀀텀 컴퓨팅 용어를 정리하면 다음과 같다.

양자역학, 이른바 양자 물리학. 원자와 원자 입자의 관점에서 본질을 묘사하는 물리학 이론. 퀀텀 컴퓨터는 중첩(Superposition), 얽힘(Entanglement)과 같은 양자 기계 현상을 기반으로 한다.

중첩. 큐비트는 중첩이라는 양자 역학 원리를 통해 한 번에 한 개 이상이 될 수 있다. 중첩 기술은 퀀텀 컴퓨터에 속도와 병렬성을 제공해 수백만 개의 계산 작업을 한 번에 수행할 수 있다고 가트너 테크니컬 프로페셔널(Technical Professionals) 서비스 사업부의 데이터 센터 및 클라우드 인프라 연구 부문 부사장인 매튜 브리제는 설명했다.

다른 말로 하자면 기존의 컴퓨터 비트로는 고양이는 죽거나 살아 있거나 둘 중 하나다. 퀀텀 컴퓨터 큐비트를 사용하면 중첩된 덕분에 고양이가 죽었으며 동시에 살아 있게 된다. (사람들이 퀀텀 컴퓨팅에 대해 설명할 때 종종 사용되는 비유다. 1935년 슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger’s cat) 실험을 고안한 오스트리아 물리학자에게 감사의 마음을 전한다.)

얽힘은 큐비트가 다른 큐비트와 연결돼 있는 경우로, 큐비트 상태가 다른 큐비트의 상태에 의존할 수 있음을 의미한다. 중첩과 합쳐진 얽힘을 통해 퀀텀 컴퓨터는 가능한 한 많은 결과를 동시에 처리할 수 있다.

결론적으로 브리제는 "퀀텀 컴퓨팅을 사용하면 전에는 할 수 없었던 대규모 병렬 시스템에서 작업을 수행할 수 있다"라고 설명했다.

퀀텀 컴퓨팅 기원
제2차 세계대전 당시 원자탄을 개발한 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)이 지난 1959년 한 강의에서 퀀텀 컴퓨팅의 가능성을 제기했다. 이후 1980년대 초 파인만과 폴 베니오프(Paul Benioff) 등의 연구 덕분에 퀀텀 컴퓨팅의 개념에 대한 논의가 이어졌다.

IBM의 퀀텀 컴퓨팅 CTO인 밥 위스니프는 "1980년대 초반께에도 기존의 컴퓨팅이 아닌 양자 역학의 규칙을 사용해 계산을 수행할 수 있었다”라고 말했다. 그는 이어 "문제는 만약 양자역학으로 컴퓨터를 만들었다면 어떤 종류의 계산을 더 쉽고 빠르게 할 수 있었을까 하는 것이다. 이 질문으로 인해 IBM은 퀀텀 컴퓨팅에 관한 연구를 시작했다”라고 덧붙였다.

지금 퀀텀 컴퓨팅에 대해 이야기하는 이유
확실히 퀀텀 컴퓨팅은 초기 단계에 있다. 브리제에 따르면 기업들 중 단지 1%만이 퀀텀 컴퓨팅 프로젝트와 관련된 예산을 책정하고 있다고 한다. 그러나 2023년까지 20%로 증가할 것이라는 예상이다.

IDC 월드와이드 인프라스트럭처(Worldwide Infrastructure)의 컴퓨팅 플랫폼 부문 부사장인 아쉬시 나드카르니는 "기존 컴퓨터가 할 수 있는 한계에 도달하고 있다”고 말했다. 또 많은 전문가들(그러나 전부는 아님)은 무어의 법칙이 끝나거나 최소한 크롤링 속도가 느려진다고 믿고 있다. 나드카르니는 동시에 구글 같은 많은 회사들이 "컴퓨팅 성능에 대한 만족할 줄 모르는 요구”를 갖고 있다고 말한다. 퀀텀 컴퓨팅에 대한 관심이 커지는 이유다.

퀀텀 컴퓨팅 활용처
현재 퀀텀 컴퓨터는 제한된 비즈니스 응용 프로그램과 특정 양자 알고리즘만 실행할 수 있다. 일부 사람들은 퀀텀 컴퓨터가 일반화된 목적이라기보다는 특수한 용도에 국한돼 사용될 것이라고 믿는다. 대다수 전문가들은 퀀텀 컴퓨터가 기존 컴퓨터를 대체하기보다는 통합을 통해 함께 구동될 것이라고 예측하고 있다.

퀀텀 컴퓨터는 몇 초 안에 처리해야 할 엄청난 양의 데이터가 있을 때 가장 많이 사용된다. 나드카르니는 "금융 서비스 기업은 특히 수많은 거래 관련 데이터 양과 몇 초 안에 결과를 시뮬레이션 하고 싶은 서비스를 통해 퀀텀 컴퓨팅의 이점을 누릴 수 있다”고 말했다.

기타 응용 가능성이 있는 분야로는 약물 및 생명 공학 연구, 유전자 편집 및 시뮬레이션, 양자 화학, 인공 지능, 교통 패턴 분석, 일기 예보 및 암호법 등이 있다.

"퀀텀 컴퓨터는 물류 배송과 같은 대규모 최적화 문제를 해결할 때 특히 유용할 것이다”라고 브리제는 설명했다.

퀀텀 컴퓨팅과 IBM
IBM은 퀀텀 컴퓨팅 분야의 초창기에 선구자적인 모습을 보여주는 기존 컴퓨팅 거인 중 하나다. 이 회사는 퀀텀 컴퓨팅 분야를 창안하는 데 도움을 주었으며 수십 년 동안 이 주제는 회사의 중요한 연구 분야였다.

IBM은 2016년 5월 4일 일반 대중이 클라우드를 통해 IBM 퀀텀 컴퓨터에 연결할 수 있게 해주는 세계 최초의 서비스로서의 퀀텀 컴퓨팅(QCaaS) 제품인 IBM 퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience ; 이하 IBM Q 익스피리언스)를 발표했다. 목표는 사용자가 실험을 통해 자습하고 시뮬레이션을 탐색하거나 퀀텀 컴퓨팅을 맛볼 수 있게 하는 것이다.

초기에 IBM Q 익스피리언스는 뉴욕에 있는 T.J. 왓슨 리서치 센터(T.J. Watson Research Center)에 설치돼 있는 5큐비트 IBM Q 퀀텀 컴퓨터에 대한 액세스를 제공했다. 그 이후 Q 익스피리언스는 16큐비트 시스템에 대한 액세스도 서비스하고 있다.

또 2017년 12월 IBM은 비즈니스 및 과학 분야의 실제 퀀텀 컴퓨팅 응용 프로그램을 탐구하는 데 주력하는 포춘 500대 기업의 글로벌 컨소시엄인 IBM Q 네트워크(Q Network)를 론칭했다.
IBM에 따르면 이 글을 쓰는 시점 기준 8만여 명의 IBM Q 익스피리언스 사용자가 400만 회 이상의 실험을 수행했으며 65개 이상의 연구 출판물을 만들었다고 알려진다.

퀀텀 컴퓨팅을 선보이는 다른 기업들로는 리제티 컴퓨팅(Rigetti Computing), 디웨이브 시스템즈(D-Wave Systems), Inc., 자파타 컴퓨팅(Zapata Computing)과 같은 스타트업을 포함해 구글, 인텔, 마이크로소프트 등이 있다. IBM 이외에 퀀텀 컴퓨팅를 적극적으로 개발하고 있는 기업들은 ‘누가 있을까? 퀀텀 컴퓨터를 개발하는 기업들’을 참조하면 된다.

퀀텀 컴퓨팅을 준비할 때 기업이 해야 할 일
안전한 양자형 암호화로 이동하라. 실제로 매우 짧은 시간에 전례 없는 많은 숫자를 무너뜨릴 수 있다. 즉 퀀텀 컴퓨터는 가장 강력한 암호화도 해독함으로써 절망을 안기는 경우가 있다.
하이브리드 클라우드(Hybrid Cloud)의 수석 부사장이자 IBM 리서치의 이사인 아르빈드 크리쉬나는 "충분히 큰 기계를 가지고 있으면 퀀텀 컴퓨터가 즉시 모든 암호화를 깨뜨릴 수 있다”고 말했다.

크리쉬나는 적어도 5년 동안은 그렇게 되지 않을 것이라고 예측했다. 그럼에도 불구하고 기업의 데이터가 10년 이상 안전하다는 것을 확신하는 사람은 이제 격자 암호(lattice cryptography)와 같이 안전한 양자형 암호화로 이주하기 시작해야 한다. (크리쉬나는 5월 15일 샌프란시스코에서 열린 처칠 클럽(Churchill Club) 주최의 퀀텀 컴퓨팅 포럼에서 자신의 의견을 발표했다.)

-> '궁극의 보안' 양자 암호화의 가능성과 한계

QCaaS 대 퀀텀 컴퓨터에 대한 투자를 고려하라. 대부분의 전문가들은 퀀텀 컴퓨팅 기술이 얼마나 빠르게 변화하고 있는지를 감안할 때 기업들이 클라우드형 퀀텀 컴퓨팅, 즉 QCaaS 제품을 이용할 것으로 믿고 있다. 나드카르니는 "어떤 자본 지출 없이, 모든 것이 선불형 현금 지불이다”라고 말했다.

기존 컴퓨터에서 해결할 수 없는 문제를 찾으라. 퀀텀 컴퓨팅이 회사에 적합한지 결정하려고 할 경우 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제가 있는지 데이터 과학자에게 질의하는 것에서 시작하라고 브리제는 말조언했다. 그는 "그런 문제들이 퀀텀 컴퓨터의 대단한 후보들이다”라고 말했다.

이제 스스로 공부하거나 팀을 교육하라. 전세계 약 1,500개의 학교가 커리큘럼의 일부로 퀀텀 컴퓨팅 과정을 제공하고 온라인 교육의 가용성도 급격히 증가하고 있다고 위스니프는 전했다. 교육에는 물론 퀀텀 컴퓨팅의 미래에 대한 내용도 필수적으로 담겼다. 위스니프는 "일을 만들어 낼 때 학습한 노동력이 제외된 퀀텀 컴퓨팅은 존재하지 않을 것"이라고 덧붙였다.

조급하게 굴지 말라. 우리는 퀀텀 컴퓨터가 진짜 어느 정도의 양자 이점(또는 양자 우월)을 제공할 수 있는 응용 프로그램을 보여줄 수 있는 실제적인 퀀텀 컴퓨팅이 실현되기까지 5년 정도로 보고 있다고 위스니프는 말했다.

신중하게 진행하라. "너무 많은 다른 퀀텀 컴퓨팅 기술이 있는 가운데 표준이 없고 프로세서도 현재는 유일하다”고 브리제는 말했다. 결론적으로 우리는 우리가 퀀텀 컴퓨팅에 대해 아직 모른다는 것을 모른다. 상온 핵융합(cold fusion)과 같은 멍청이가 될 수도 있고 아주 멋진 것이 될 수도 있다. 어쩌면 아주 멋진 슈뢰딩거 고양이가 될 수도 있을 것이다. ciokr@idg.co.kr 
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