양자 컴퓨터와 IonQ #1

Summary

- 서학 개미들이 사들이고 있다는 양자 컴퓨팅 기업 IonQ

- 향후 자율주행차 등 퀀텀 사회가 도래할 것을 예상할 때 양자 컴퓨터는 주목해야 할 산업 중 하나

- 양자 비트를 구현할 때 IonQ가 활용하는 이온 트랩 방식은 이온의 외부 영향이 적고 제어 가능하다는 장점이 있음

 

© iStock

 

11월 4일 뉴스를 보니 서학 개미들이 IonQ를 사들이고 있다고 합니다. (관련링크) IonQ에 대해 알아보기 전에, 전방 산업을 간단히 살펴보고 회사에 대해 알아보겠습니다.

 

양자 컴퓨터란 무엇인가? 세계는 수년 동안 지구상의 모든 데이터 센터를 대체할 수 있을 정도로 강력한 컴퓨터를 개발하기 위해 노력해왔습니다. 무어의 법칙*이 둔화하면서 새로운 컴퓨팅 개발은 훨씬 더 시급해졌습니다. 이에 기업들은 양자 컴퓨터를 통해 일반적인 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 가장 먼저 해결하고자 합니다. 양자 컴퓨터(QC)는 신소재 개발, 도시 전체의 최적 트래픽 패턴 결정, 암호화 시장 파괴 등 상상도 할 수 없었던 작업을 가능하게 하는 잠재력을 가지고 있습니다.

일반적인 컴퓨터는 1s와 0s를 사용하여 정보를 이진 형식으로 저장합니다. 예를 들어, 코드 "0100011"의 문자열은 이진 형식의 문자 "G"이고, 코드 "01010011"의 문자열은 문자 "S"입니다. 0 또는 1은 ‘비트’라고 불리며 컴퓨터는 기본적으로 스위치인 트랜지스터를 사용하여 비트를 처리합니다. 칩 제조업체들은 컴퓨터 칩당 더 많은 양을 맞추기 위해 트랜지스터를 축소함으로써 컴퓨터 프로세서의 파워를 증가시켰습니다. 처리될 수 있는 비트의 양과 문제 해결에 사용될 수 있는 데이터의 양도 늘었습니다. 그러나 칩 제조업체들은 트랜지스터를 작게 만드는 데 한계에 봉착했습니다. 트랜지스터 축소로 인한 수익률이 줄어들고 있다는 뜻입니다.

 

* 무어의 법칙 (Moore’s Law)

인터넷 경제의 3원칙 가운데 하나로, 마이크로칩의 밀도가 24개월마다 2배로 늘어난다는 법칙

 

중첩의 속성은 큐비트가 더 많은 정보를 저장할 수 있게 함 © Google search

 

양자 컴퓨터는 비트보다 더 많은 정보를 저장하는 큐비트로 데이터를 처리하여 문제를 더 빨리 해결할 수 있음
© Google search

 

양자 컴퓨팅의 시대가 도래하고 있다 IonQ가 예측하듯, 향후에는 정보 사회를 넘어 퀀텀 사회가 될 것입니다.

 

© IonQ

 

양자 컴퓨터는 큐비트(Quantum Bit)를 기본 단위로 사용해 기존 비트를 앞지르고 기존 컴퓨터보다 더 복잡한 계산을 해결할 수 있습니다. 전통적인 컴퓨터의 요소는 1 ‘또는’ 0으로 표현되는 반면, 양자 컴퓨팅의 큐비트는 다양한 값을 동시에 계산하기 위해 1’과’ 0이 될 수 있습니다. 큐비트는 중첩이라고 하는 상태에서 1s와 0s로 동시에 존재할 수 있으며, 결과적으로 기존 비트보다 더 많은 정보를 저장하고 처리합니다. 동전 던지기로 비유하자면 한 경우에서는 앞면 혹은 뒷면이 나오거나(1s or 0s)이지만, 다른 경우 동전을 던지고 굴리면서 앞면과 뒷면을 동시에 관찰하는 것도 가능합니다(큐비트).

이는 양자 컴퓨터가 계산하는 데 수년이 걸리는 대규모 문제를 빠르게 해결할 수 있다는 것을 의미합니다. 예를 들어, 4비트의 데이터가 있는 경우 0과 1의 16가지 가능한 조합 중 하나만 저장하지만, 큐비트는 0과 1로 동시에 존재할 수 있기 때문에 16가지 가능한 값을 한꺼번에 저장할 수 있습니다.

하나의 양자 비트는 아무것도 할 수 없지만 10개의 양자 비트를 중첩한 경우 이론적으로 =1024의 조합을 동시에 계산 가능합니다. 50개의 양자 비트를 중첩한다면 이론적으로 1125조의 조합을 계산할 수 있습니다. 이러한 병렬 계산이 양자 컴퓨터의 가장 큰 장점이며 양자 컴퓨터가 병렬 세계라고 불리는 이유입니다.

 

왜 지금 주목해야 할까? A 지점에서 B 지점까지 도시를 통과하는 최적의 경로를 찾는 문제를 예로 들어 보겠습니다. 기존의 접근 방식은 가장 빠른 경로가 결정될 때까지 A 경로, B 경로, C 경로 등을 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하는 것입니다. 반대로 양자 접근법은 A, B, C 경로를 동시에 측정하여 최적의 경로를 찾습니다. 오늘날 고전적인 컴퓨터는 사용자가 모르는 사이에 이 작업을 수행할 수 있을 만큼 충분히 발전되었습니다. 아마도 구글이나 티맵, 네이버 지도를 사용할 때 이 작업을 매일 사용할 것입니다. 하지만 도로 위 다른 차량의 위치, 보행자의 이동, 신호등의 색깔 전환 등을 고려해야 하는 자율 자동차로 가득 찬 도시 환경에서 기존 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제들은 한계가 있습니다.

 

양자 컴퓨팅 활용 사례 몇 가지 잠재적인 사용 사례를 예로 들면,

• 물류 : 양자 컴퓨터는 가장 효율적인 fleet 경로를 계획하여 물류 회사의 비용을 절감할 수 있습니다. 예를 들어, 한 명의 운전자가 3개 도시에 배달해야 하는 경우 도시 사이를 이동할 수 있는 6가지 경로 조합이 있습니다. 운전자가 15개 도시에 택배를 배달해야 한다면 경로 조합은 1조 3천억 개에 달합니다. 만약 총 인구 10만 명 이상이 거주하는 300개의 도시에 경로 최적화를 할 필요가 있다면? 가능성은 무한합니다.
• 화학/제약 :  양자 컴퓨터의 핵심 활용 사례 중 하나는 분자 시뮬레이션을 개선하는 것입니다. 기존 컴퓨터도 해결 가능하지만, 분자 모델링은 빠르게 확대되고 있는 문제 중 하나입니다. 만약 20개의 전자를 가진 분자를 모형화한다면, 20개의 전자 상호작용도 모형화해야 합니다. 이를 초당 500번의 계산이 가능한 고전적인 컴퓨터를 사용하면, 분자를 모델링하는 데 약 1억 5400만 년이 소요됩니다.

이처럼 양자 컴퓨터는 약품 발견, 날씨 모델링, 재료 개발, 포트폴리오 최적화 등 현재 여러 산업의 많은 문제들에 대한 해결책이 될 수 있습니다. IonQ는 양자 컴퓨터 잠재 시장이 650억 달러(77조 2400억 원)에 달할 것으로 전망합니다.

 

양자 비트 구현 방식 양자 컴퓨터의 양자 비트를 구현하는 방식은 크게 3가지입니다.

 

양자 비트 실현방식	특징	개발 기업
초전도 방식	초전도 링모양으로 자성을 발생시켜 양자 비트 생성	D-wave, 구글, IBM
이온트랩방식	전하입자를 발생시켜 양자 비트 생성	IonQ
토폴로지컬절연체 방식	마요라나 입자에서 유래한 토폴로지컬 절연체를 이용하여 양자 비트 생성	마이크로소프트

 

• 초전도 방식 : 가장 실용화 되어 있는 방식으로, 금속을 섭씨 -273.15도까지 냉각시켜 전기 저항이 존재하지 않는 초전도 상태에서 양자 비트에 의한 중첩과 얽힘을 만들어 냄.
• 이온 트랩 방식 : 이온을 생성하고 포착(트랩)하여 양자 비트를 만드는 방식으로, 노이즈에 약하고 양자 비트의 증가도 제한적인 초전도 방식의 한계를 개선.
• 토폴로지컬절연체 방식 : 토폴로지컬 절연체가 기존 컴퓨터의 ‘반도체’ 역할을 하게 되며, 초전도 방식처럼 절대 영도까지 온도를 낮출 필요가 없기 때문에 노이즈에 강함.

 

	슈퍼 컴퓨터	양자 컴퓨터
이용목적	시뮬레이션, 신약개발, 일기 예측 등	물류, 신약개발
강점	폰노이만형 컴퓨터 기술 확립	소비전력이 적은 병렬처리
약점	소비전력이 큼	현재 양자 비트가 한정적 제조, 제어가 어려움
위협	미세화 한계	제조기술이 발전하지 않을 가능성
향후 기회	AI 등 전용칩 개발	하이브리드형으로 일부 양자 컴퓨터 대체

 

IonQ 이온 트랩형 양자 컴퓨터 양자 컴퓨터에서 가장 중요한 것은 양자 비트의 구현입니다. 이온 트랩 방식은 이온을 유리 트랩 하는 방법으로 4개의 전극에 각각 고주파 전압을 걸어둡니다. 그러면 4개의 전극 중앙에 위치한 이온이 포착되어 트랩 됩니다. 포착된 이온은 포착 상태에 있어 외부와의 상호 작용이 적고, 제어 가능하다는 장점이 있습니다. 이온이 트랩되면 이를 양자 비트로 취급하고 이온 트랩 방식의 레이저로 양자 비트에 조사하여 계산을 수행합니다. 1950년부터 개발 진행된 이 기술을 메릴랜드대 크리스토퍼 먼로 교수와 미국 듀크대 김정상 교수가 2016년 IonQ를 설립해 양자 컴퓨터에 적용했습니다.

 

 

	초전도 방식	이온트랩 방식
양자 비트 실현 방법	자성 스핀	이온(하전 입자)
양자 비트수	4000비트(양자 어닐링 방식) 127비트(양자 게이트 방식)까지 실용화 수준	11비트
양자 비트간의 결합	부분 결합	완전 결합
계산 방식	양자 어닐링, 양자 게이트	양자 게이트
온도	절대 온도	상온
코히런스 시간	짧다	길다(안정적으로 이온을 포착함)
관련 기업	D-Wave(양자 어닐링) 구글, IBM(양자 게이트)	IonQ

초전도방식과 이온 트랩 방식

 

이온 트랩 방식은 각 양자 비트가 서로 연결되는 완전 결합 방식으로, 양자 비트로 작동하는 복잡한 양자 알고리즘도 구현할 수 있습니다. 반면, IBM에서 활용하는 양자 비트 결합 방식은 1개의 양자 비트를 부분적으로 결합하는 스타형 부분 결합 방식입니다. 구글은 인접형 부분 결합 방식을 활용하는데, 이는 양자 비트를 통해 다른 양자 비트까지 경유해야 하기 때문에 오류가 발생할 가능성이 있습니다. 실제로 IonQ에 따르면 이온 트랩 방식에서 양자 알고리즘을 구현한 결과, 성공률이 초전도 방식보다 220% 더 높다고 합니다.

 

양자 비트 결합 방식 / 순서대로 완전 결합 방식, 스타형 부분 결합 방식, 인접형 부분 결합 방식

 

다시 말해 이온 트랩 방식은 완전 결합과 코히런스 시간이 길다는 점에서 양자 게이트 방식보다 우수하지만, 양자 비트 스케일이 앞으로의 과제입니다. IonQ에서 스케일을 어떻게 확장할 것인가에 따라 이온 트랩 방식의 혁신이 일어날 것으로 전망됩니다.

 

경쟁업체인 IBM의 행보 IBM은 11월 14일 이글 프로세서를 공개했습니다. 현재 65큐비트 허밍버드에서 2021년 127 큐비트 이글, 2022년 433 큐비트 오스프리, 2024년 1121 큐비트 콘도르 출시 예정으로 현재 IBM의 부진한 실적을 양자 컴퓨팅을 통해 돌파하겠다는 의지를 밝혔습니다.

 

© IBM

 

IBM은 미국 독일 일본에 이어 IBM Quantum System two에 관해 연세대학교와 IBM 양자 컴퓨팅 데이터 센터 설립 계획을 발표하였습니다.

 

* 다음 편에 이어집니다.