글로벌 IT 기업과 세계 각국의 양자 컴퓨터(Quantum computers) 개발 연구가 본격화하고 있다.

양자 컴퓨터는 초당 10의 1000 승수의 연산을 할 수 있다고 알려졌다.

양자 컴퓨팅의 속도를 가늠 하려면 현존하는 슈퍼 컴퓨터와 비교하는게 빠르다. 현재 최고성능의 슈퍼컴퓨터는 미국 테네시주 오크리지 국립연구소에 설치된 ‘서밋(Summit)’이다.

직전 타이틀을 가졌던 중국 ‘선웨이 타이후라이트(Sunway TaihuLight)’는 현재(2018년 7월 기준) 미국 IBM의 서밋(Summit)에 1위 자리를 내줬다.

현존 최고 성능 슈퍼컴퓨터 ‘서밋’…초당 200페타(10의 15승수)

‘서밋’은 초당 200페타플롭스(초당 20경 회)의 연산을 처리할 수 있다. 중국 ‘선웨이 타이후라이트’의 93페타폴립스(9경 3000조 회) 연산속도를 60퍼센트 상회했다. 서밋에는 세계최초로 AI 기반의 대용량 데이터 처리 기술이 적용됐다.

서밋은 4,608개의 노트(Node)로 구성, 각 노드에는 IBM Power9 CPU와 6개의 엔비디아 볼타(Volta) GPU가 탑재됐다. 크기는 테니스 코드 두 개의 면적이다.

현대의 슈퍼컴퓨터는 대부분 페타플롭스 수준의 계산능력을 가지고 있다. 페타는 10의 15승을 뜻한다. 페타플롭스는 1초에 10의 15승(초당 1000조)의 부동소수점 계산을 할 수 있다. 참고로 기가는 10의 9승, 테라는 10의 12승, 엑사는 10의 18승을 뜻한다.

개발이 가시화한 차세대 슈퍼컴퓨터 엑사스케일(Exascale) 컴퓨팅은 ‘exaFLOPS(엑사플롭)’ 또는 초당 10의 18승수(100경) 연산이 가능한 수준이다. 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.

리처드 파인만, 양자 컴퓨팅 원리 제시…큐비트 얽힘, 중첩

’10의 1000승수’의 처리 속도로 고전 컴퓨터와 차원을 달리하는 양자 컴퓨팅이란 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용해 자료를 처리한다.

양자 컴퓨팅 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.

반면 양자 컴퓨터 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.

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

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

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

KAIST 정재승 교수, 한국IBM과 양자컴퓨팅 ‘테크 talk’

한편, IBM에따르면 IBM Q Experience는 전 세계 8만명에게 양자 컴퓨팅 기술을 활용할 수 있는 기회를 제공 중이다. 클라우드 기반의 IBM Q Network 를 통해 삼성전자, 다임러, JP모건 등의 글로벌 기업 고객들도 양자 컴퓨팅 기술을 활용할 수 있도록 돕고 있다.

이하 KAIST 정재승 교수와 한국IBM 장화진 사장의 ‘양자 컴퓨팅’ 주제 대담 영상.