글로벌 IT 기업과 세계 각국의 양자 컴퓨터(Quantum computers) 개발 경쟁이 치열하다.

양자 컴퓨터는 초당 10의 1000 승수의 연산을 할 수 있다고 알려졌다. 개발이 가시화한 차세대 슈퍼컴퓨터인 엑사스케일(Exascale) 컴퓨팅은 ‘exaFLOPS(엑사플롭)’ 또는 초당 10의 18승수(100경) 연산이 가능한 수준이다.

초고속 양자 컴퓨터는 새로운 의약품 개발 속도를 높이고, 가장 복잡한 암호보안 시스템을 깨고, 새로운 물질을 설계하고 기후 변화를 모델링하며 인공 지능의 충분한 기반이 될 수 있다고 컴퓨터 과학자들은 말한다.

그러나 현재 이를 만들기위한 최선의 방법, 대량 생산을 가능하게하는 방법에 대해서는 합의가 이루어지지 않았다.

전세계의 물리학자, 엔지니어 및 컴퓨터 과학자들은 다이아몬드에서 가벼운 입자, 잠금된 이온들, 초전도 큐비트(qubits) 또는 질소-공센터(nitrogen-vacancy centres)을 기반으로 4 가지 매우 다른 유형의 양자 컴퓨터를 개발하려고한다.

IBM, Google, Rigetti, Intel, Microsoft와 같은 회사는 현재 이 분야에서 양자 전하(charge, 전기장에서 힘을 받는 물질) 연구를 선도하고 있다.

각각의 방법은 장단점을 가지고 있지만, 가장 중요한 도전은 양자 자체의 취약한(fragile) 성질이다.

양자 컴퓨팅이란

얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 자료를 처리하는 컴퓨터다. 큐비트(양자비트)는 물리적으로 연결돼 있지 않은 경우에도 서로 영향을 줄 수 있는데 이를 얽힘(entanglement)이라고한다. 전자 또는 광자(photons)는 동시에 두 가지 상태가 될 수 있는 현상을 중첩(superposition)이라고한다.

1982년 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만이 이 개념을 처음 제시 했고 1985년에는 영국 옥스퍼드 대학의 데이비드 도이치가 개념을 구체화했다 이 컴퓨터의 특성은 정보를 큐비트 단위로 읽는다는 점이다. 큐 비트 기반 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 계산을 훨씬 빠르게 수행 할 수 있다.

기존 컴퓨터는 비트단위로 정보를 읽는다. 1비트라면 0과 1 중 하나를 선택해야 한다. 8비트는 0과 1의 256개 조합이 가능하지만 실제 그중 하나의 값만 선택해 처리하게 된다. 1과 0, 켜기 또는 끄기로 나타나는 긴 시퀀스를 사용하는 대신에 양자 비트 또는 큐비트(Qubits)는 하위 원자 입자의 불가사의한 성질을 사용한다. 큐비트는 0과 1의 값을 동시에 가질 수 있다. 2큐비트는 4개의 조합된 정보(00, 01, 10, 11)를 동시에 선택한다. 기존 슈퍼컴퓨터로 10억 년이 걸리는 연산을 100초 만에  수행할 수 있을 정도다.

컴퓨터 과학자들은 때때로 이 양자 컴퓨테이션 효과를 매우 복잡한 미로의 각 경로를 동시에 지나갈 수있는 것처럼 묘사한다.

안정성 찾기

큐비트는 매우 불안정하고 다른 에너지원으로부터의 간섭이나 ‘노이즈’가 발생하기 쉽기 때문에 계산 오류가 발생한다. 따라서 이를 대량 생산하기 위해 안정화시키는 방법을 찾아야한다.

IBM은 ‘트랜스몬 초전도 큐비트(transmon superconducting qubits’가 양자 컴퓨팅에 가장 유망하다고 믿고, 클라우드에서 액세스 할 수있는 3 개의 프로토 타입 양자 프로세서를 보유하고 있다.

IBM 리서치 ‘양자 컴퓨팅 전략과 생태계’ 부사장 로버트 슈터(Robert Sutor)는 “지금까지는 94,000 명이 넘는 사람들이 클라우드에서 IBM 양자 컴퓨터에 액세스했으며 5 백만 건이 넘는 실험을 수행, 110 건의 논문을 작성했다”며 “3 ~ 5년 내에 특정한 사례를 제시할 수 있기를 기대한다. 양자는 고전 컴퓨터가 할 수있는 것에 엄청난 진전을 제시한다”고 BBC 인터뷰에서 밝혔다.

IBM의 방법은 양자 컴퓨터가 대형 냉장고에서 작동해야 한다. 큐비트는 절대온도(-273.15도)에 가까운 온도에서 유용한 상태로 유지되기 때문이다. 이는 많은 에너지를 필요로하며, 소형화가 극히 어렵다는 것을 의미한다.

싱가포르 국립대학 퀀텀 테크놀로지 센터(National Center of Quantum Technologies)의 수석 연구원 요셉 피츠시몬스(Joseph Fitzsimons)는 “초전도 큐비트는 유용한 양자 계산을 가능하게하는 최초의 기술 중 하나가 될 것 같다. 그러나, 이는 초기 컴퓨터의 진공관과 유사하다. 궁극적으로 승자가 되는 또 다른 기술이 등장 할 것”이라고 말했다.

코펜하겐의 닐스보어 연구소(Niels Bohr Institute) 학자들은 소위 마요라나(Majorana) 입자를 기반으로하는 훨씬 안정적인 큐비트가 될 것이라고 믿고있다.

다른 팀은 전통적인 컴퓨터 칩 제조과정인 실리콘에 큐비트를 가두는 작업을 하고있다.옥스포드 대학(Oxford University)의 컴퓨터 과학자들은 큐비트가 많은 더 큰 컴퓨터를 만드는 대신 작은 큐비트 컴퓨터들을 연결하는 방법을 찾고 있다.

고전 컴퓨터 ‘엑사스케일(exascale)’도전…10의 18승 처리능력

양자 컴퓨터를 기다리는 동안 전통적 고전적 컴퓨터의 미래는 어떻게 되는가.

안정적이고 대량 생산되는 양자 컴퓨터는 여전히 불투명하지만, 고전적 컴퓨터의 미래인 엑사스케일 컴퓨터 개발 경쟁도 흥미로운 결과를 가져오고있다.

2018 년 6 월 현재 중국은 세계에서 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터 중 2 대를 보유하고 있다. 중국국방 기술 대학교 (NUDT)의 컴퓨팅 스쿨 책임자에 따르면 2020 년까지 차세대 고성능 컴퓨터인 ‘엑사스케일(exascale) 컴퓨터’Tianhe-3’를 개발할 예정이다. 텐진 국립 수퍼 컴퓨팅 센터 (National Supercomputing Center)가 이 프로젝트를 진행하고있다.

2015 년 7 월 29 일 미국 오바마 대통령은 exascale 시스템의 신속한 개발과 반도체 후 컴퓨팅에 대한 연구 자금 지원을 요구하는 국가 전락적 컴퓨팅 이니셔티브(National Strategic Computing Initiative) 행정명령을 체결했다. Exascale 컴퓨팅 프로젝트는 2021년까지 개발을 목표하고 있다.

지난 7월, 텍사스 대학(University of Texas, Austin)에서 컴퓨터 과학과 수학을 전공한 18 세 어윈 탕(Ewin Tang)은 Exascale, 초당 10의 18승수 작업처리 능력에 가까운 고전적인 컴퓨터 알고리즘을 개발해 세계적으로 큰 반향을 일으키기도 했다.

탕을 멘토링한 텍사스 대학 이론 컴퓨터 과학자 스캇 에론슨(Scott Aaronson)은 “Exascale은 초당 10의 18승수 작업을 수행 할 수있는 것을 의미한다. 10의 18 승수는 크지만 초당 10의 1000 승수의 연산을 할 수 있는 양자 시스템은 훨씬 더 크다”라고 BBC 인터뷰에서 말했다.

2011년 이후 EU에서 Exascale Computing을 위한 CRESTA(Exascale Systemware 등 공동연구), DEEP(Dynamical ExaScale Entry Platform), 몽블랑 프로젝트 등 여러 프로젝트가 시작됐다. Exascale 전환을 기반으로하는 유럽의 주요 프로젝트는 MaX(Materials at Exascale) 프로젝트다.
2015년 맨체스터 대학 (University of Manchester)과 체셔(Cheshire) STFC Daresbury 연구소는 주요 연구 프로젝트 인 확장 가능하고 에너지 효율적이며 복원력있고 투명한 소프트웨어 적응(SERT) 프로젝트에 착수, 영국 공학 및 물리 과학 연구 협의회에서 1 백만 파운드를 받았다.

그럼에도 고전 컴퓨팅의 한계는 분명하다. 칩에 얼마나 많은 트랜지스터를 장착 할 수 있는지가 한계에 다다 랐다는 것이다. 무어의 법칙 – 매 2 년마다 마이크로 프로세서는 두 배 빠른 속도에 에너지는 절반 사용하고 공간은 절반을 차지한다는-은 마침내 무너질 것이다. 현재 애플의 A11은 43억 개까지 가능한 것으로 알려졌다.

* 양자 도약(Quantum leap)
양저역학에서 말하는 양자의 에너지가 불연속적으로 흡수 또는 방출되는 현상이다. 전자가 원자 내부에서 불연속적으로 궤도를 ‘도약’하는 현상으로, 초기 양자역학의 주요한 문제였다.
양자역학 이전의 물리학은 에너지의 흐름이 연속적이라고 가정하였고, 고전역학에서는 이러한 가정이 문제되지 않았다. 하지만 실제 원자의 에너지는 연속적으로 거동하지 않았고 전자의 거동 역시 불연속적이였고, 이를 양자도약이라 한다. 이는 미시적인 자연세계에서는 에너지가 불연속적으로 분포하고 거동한다는 것을 뜻한다.(위키피디아)

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