2021년 11월 30일 화요일

양자 컴퓨팅에 대한 관심이 많아지면서 많은 회사들과 국가들이 양자 컴퓨팅에 해오던 투자들의 결과물들이 나오고 있다. 본 글에서는 양자 컴퓨팅의 개념, 주목할 만한 결과들, 그리고 양자 컴퓨팅의 미래에 대해서 설명한다.

양자 컴퓨팅이랑 기존 컴퓨팅처럼 0과 1로만 값을 표현하는 것이 아닌 큐비트 (Qubit)을 이용하는 컴퓨팅이다. 큐비트는 0과 1이 아니라 그 둘 다인 상태로 존재할 수 있다. 이것을 중첩이라고 부른다. 기존의 컴퓨팅처럼 2비트의 4가지 경우의 수 (00,01,10,11) 순차적으로 보내는 게 아니라 한꺼번에 갖고 있을 수 있고 이 값은 측정될 때 결정된다. 그러면 한번에 하나씩 4번을 계산하는 것보다 물리적으로 4배 빨라야 한다. 그래서 비트 수가 늘어나면, 2의 제곱수로 연산 수가 더 폭발적으로 증가한다. 결국 큐비트가 20개만 되면 이론적으로 100만개 이상의 연산을 일순간에 계산할 수 있는 것이고 이 부분에서 양자 컴퓨팅이 기존 컴퓨팅을 압도할 성능을 나타낼 것이라는 기대를 하게 한다.

기존 비트와 큐비트의 비교

양자 컴퓨팅의 성능은 이론적으로만 증명이 되었기에 양자 우위 (Quantum Supremacy)가 중요하게 된다. 양자 우위란 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터보다 빠른 것이 입증된 상태를 말하며 이 입증을 위해서는 큐빗 수가 보통 이상 나와야 하므로, 50큐비트 이상을 사용했을 때라고 정했다. 50큐비트 양자컴퓨터는 2의 50제곱의 숫자를 한 단위로 해 계속 연산을 할 수 있다. 그러나 엄청나게 큰 숫자가 움직이는 반면, 정보가 이동할 때 깨어지기도 쉽다. 디지털 컴퓨터는 정보가 깨어져도 오류정정부호를 써서 오류를 바로잡기 쉽지만, 양자컴퓨터는 오류정정부호를 쓰기가 매우 어렵다. 기존 컴퓨터에서는 10 비트 중에 오류정정부호 용으로 1비트만 쓰면 되는데, 양자컴퓨터는 1 큐비트 정보를 처리하기 위해 오류정정부호 용으로 수백 큐비트를 써야 한다.

양자 컴퓨팅에 많은 투자를 하고 있는 구글이 2019년에 발표한 53 큐비트 양자컴퓨터도 오류정정부호를 포함할 경우 실제 연산 능력은 1큐비트에 불과하다고 보는 것이며, 혹자들은 수백 큐비트가 사실상 1 큐비트의 기능을 하기 때문에 제대로 된 양자컴퓨터를 만들기 힘들다는 주장을 하고 있다 1 구글은 이를 반박하는 측면에서 2029년까지 쓸모있는 양자 컴퓨터를 만들수 있다고 발표했다. 2

최근에는 중국에서 양자 우위를 증명한 2개의 양자 컴퓨터가 있다고 발표했다. 3 해당 내용을 살펴보면 아직도 현실에 적용 가능한 작업으로 양자 우위를 증명한 사례가 없지만 해당 2가지 실험들이 이를 이루기 위한 중요한 발걸음이라고 주장하고 있다.

결국 기존 컴퓨팅의 처리 성능의 한계를 뛰어넘는 양자 컴퓨터를 만들고자 하는 노력들이 지속적으로 일어나고 있지만 아직까지 상용화가 가능한 단계는 아니며, AWS 4와 Microsoft의 Azure5도 SDK를 제공해서 Jupytor Notebook에서 큐비트를 이용할 수 있는 서비스들을 제공하고 있다.

또한 영국의 Startup인 Riverlane은 Deltaflow.OS (Quantum OS)를 개발하여 전 세계에서 처음으로 양자 컴퓨팅에 특화된 운영체제를 만들었고 6 이를 통해서 혁신의 속도를 올리고 있다.

양자 컴퓨터의 향상된 컴퓨팅 성능은 미래에 화학, 제약 및 의료 분야에서 혁신을 가능하게 하고, 장기적으로 기계학습, 인공지능, 금융 및 에너지 혁신에 영향을 미칠 것이라고 보고 있다. 현재 구글, AWS, Microsoft와 같은 미국 테크 대기업들이 개발자들을 대상으로 한 서비스들은 만들고 있고, 몇몇 Startup 기업들이 도전하고 있는 상황이다. 7

  1. The Google-IBM “quantum supremacy” feud
  2. Google wants to build a useful quantum computer by 2029
  3. Quantum computers Zuchongzi and Jiuzhang 2.0 may both display “quantum primacy” over classical computers
  4. Amazon Braket
  5. Azure Quantum
  6. World first operating system breakthrough puts quantum computing on a chip
  7. Quantum Computing Startups in United States

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