IBM 세계 최초 ‘범용’ 양자 컴퓨터 발표, 클라우드 서비스로 제공 계획

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1794호(2017. 5. 3 발행)에 기고한 원고입니다.

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IBM_세계 최초 범용 양자컴퓨터 발표_클라우드로 제공.pdf

[ 요 약 ]

인공지능(AI) 왓슨으로 새로운 비즈니스 모델을 개척해 가고 있는 IBM이 이번에는 양자 컴퓨터 분야를 선도하겠다는 출사표를 던졌음. 왓슨을 개발한 IBM 왓슨 연구소는 세계 최초의 ‘범용’ 양자 컴퓨터를 표방한 ‘IBM Q’를 발표하고 이를 클라우드 서비스 형태로 제공하겠다는 계획을 발표하였음. IBM은 10년 이상 걸릴 것으로 예상했던 50 큐빅스급 양자 컴퓨터를 수년 내에 개발한다는 로드맵을 공개하며, 미래 기술로만 여겨지던 양자 컴퓨터를 현재의 기술로 제시하고 있음

[ 본 문 ]

ž IBM은 지난 3월 6일, 세계 최초로 ‘범용 양자 컴퓨터(Universal Quantum Computer)’를 클라우드 서비스 형태로 상용화 하겠다는 계획을 밝혔음

<자료> IBM [그림 1] IBM이 범용 양자 컴퓨터 ‘IBM Q’

Ø IBM의 양자 컴퓨터 제품명은 'Q'이며, 비즈니스 및 과학연구 용도의 상용 기기로 출시될 예정인데, [그림 1]에서 보는 것처럼 외형은 양자 컴퓨터를 원통형 케이스에 격납하여 냉각시킨 형태를 띠고 있음

Ø IBM이 ‘범용’이라는 수식어를 붙인 것은 Q가 제약, 물류, 금융, 보안, 인공지능(IA) 등 다양한 산업에 적용될 것을 목표로 하기 때문인데, 현재 유일한 상용 양자 컴퓨터인 캐나다 D-웨이브(D-Wave)의 제품은 특정 수학 계산만을 수행하는 전용 기기에 가까움

Ø IBM은 인공지능과 블록체인에 이어 양자 컴퓨터를 클라우드 서비스로 제공한다는 계획인데, 양자 컴퓨터 클라우드를 위한 SDK(소프트웨어 개발환경) 제공을 통해 개발자들이 양자 컴퓨터용 애플리케이션을 용이하게 개발할 수 있도록 지원할 예정

Ø 양자 컴퓨터의 클라우드 제공은 보다 많은 사람들이 이용할 수 있도록 하겠다는 IBM이 뜻을 담고 있는데, D-웨이브의 양자 컴퓨터는 대당 가격이 1,500만 달러로 추정되며 미 항공우주국, 록히드 마틴, 구글 등 소수의 기업에만 판매되고 있음

Ø 범용을 목표로 하기 때문에, IBM은 양자 컴퓨터 클라우드와 기존 시스템을 연계할 수 있는 API(응용프로그램 인터페이스)를 제공하겠다는 계획도 분명히 하였음

ž IBM은 Q의 로드맵도 공개했는데, 현재 5 큐비트(Qubit) 수준의 시스템을 향후 수년 내에 열 배인 50 큐비트로 확장한다는 계획임

Ø 현재의 컴퓨터는 0과 1의 이진법 신호를 이용해 연산을 하거나 정보를 저장하고 읽는 방식이어서 0 또는 1의 상태를 나타내는 ‘비트(bit)’가 정보의 기본 단위가 됨

Ø 비트의 양이 늘어날수록 성능도 비례해서 발전하게 되며, 반도체 기업들의 개발 목표는 더 작은 반도체 칩에 더 많은 비트를 저장하는 것이 됨

Ø 반면 양자 컴퓨터가 기반을 두고 있는 양자역학은 확률로 물질의 상태를 표시하기 때문에 0과 1이 아닌 중간 단계(중첩된 상태)가 동시에 존재할 수 있음

<자료> IBM [그림 2] 큐비트(Qubit) 정보 단위

  Ø  이런 원리 때문에 양자 컴퓨터는 0과 1을 이용해 표현할 경우 한가지가 아니라 00, 01, 10, 11과 같이 4가지 표현이 동시에 가능한데, 이때 사용되는 표현의 단위를 ‘큐비트(Qubit, 퀀텀 비트)’라고 함(큐비트의 0과 1은 숫자가 아닌 벡터로, 정확히는 켓(Ket) 0, 켓1로 읽음)

Ø 3큐비트는 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111의 8가지 상태를 동시에 표현할 수 있고 4큐비트가 되면 16가지, 10큐비트가 되면 1024가지 상태를 표현할 수 있기 때문에 비트를 늘리는 것보다 큐비트를 늘리는 것은 비교할 수 없을 정도의 성능의 개선을 가져 올 수 있음

Ø 500 큐비트의 양자 컴퓨터가 등장한다면 2의 500승 규모의 정보를 처리할 수 있게 되는데, 이는 우주 전체의 물질의 수에 해당하는 것으로, 그야말로 대규모 처리가 가능해지는 것임

Ø 기존 컴퓨터가 18개월 동안 집적도가 두 배가 된다는 '무어의 법칙'에 따라 발전해 왔다면, 양자 컴퓨터는 큐비트가 늘어날수록 성능이 기하급수적으로 개선된다고 볼 수 있음

Ø 구글은 작년 6월 전자 9개를 제어할 수 있는 9큐비트의 양자 컴퓨터를 시연한 바 있고, IBM도 작년 5월에 5큐비트 양자 컴퓨터를 만들어 공개했는데, 현재 가장 빠른 양자 컴퓨터는 20개의 큐비트를 탑재하고 있는 것으로 알려짐

Ø 작년 5월 당시 IBM은 50~100 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터의 완성에 10년이 걸린다고 말한 바 있으나, 이번 로드맵 발표에서는 그 기간을 대폭 단축하여 미래 기술로 여겨지는 양자 컴퓨터를 단숨에 현재의 제품으로 포지셔닝시켰음

Ø IBM의 최종 목표는 수천 큐비트를 가진 범용 양자 컴퓨터를 개발하는 것인데, 물리적으로는 10 만 큐비트 규모의 양자 컴퓨터 개발이 가능한 것으로 알려져 있음

ž Q는 IBM Thomas J. Watson Research Center(IBM 토마스 왓슨 연구소)의 양자 컴퓨터 연구 부문인 ‘IBM Q Lab(랩)’에서 개발되고 있음

<자료> IBM [그림 3] IBM Q의 외형

Ø 뉴욕 교외의 요크타운에 위치한 토마스 왓슨 연구소는 역사에 이름을 남긴 수퍼 컴퓨터가 개발된 곳인데, 수치 계산 수퍼 컴퓨터 ‘블루 진(Blue Gene)’은 표준 벤치마크에서 세계 최고 속도를 기록했고, AI 수퍼 컴퓨터 ‘왓슨(Watson)’은 퀴즈쇼에서 인간 챔피언 두 명을 이긴 바 있음

Ø IBM Q의 외양은 현재 컴퓨터와 크게 달라 [그림 3] 보듯 천장에 매달려 있는 형상인데, [그림 1]과 같이 케이스 안에 담은 후 헬륨을 사용하여 절대영도(Absolute Zero, 섭씨 영하 273.15도 = 0 Kelvin) 근처까지 냉각시켜 온도를 일정하게 유지하게 됨

Ø 구조물의 끝 부분을 ‘크라이어펌 쉴드(Cryoperm Shield)’라 하는데, 여기에 큐빗 프로세서가 탑재되며, 구조물의 온도는 아래로 갈수록 낮아져 프로세서 부분은 15 밀리켈빈(Millikelvins)의 극냉 상태에서 유지된다고 함

Ø [그림 4]는 크라이어펌 쉴드의 구조를 보여주는데, 하단 왼쪽의 원통형 장치는 ‘믹싱 체임버(Mixing Chamber)’라 불리며, 냉각 장치(Dilution Refrigerator)의 가장 아랫부분으로서 프로세서를 냉각하는 역할을 함

Ø 믹싱 체임버의 윗부분은 ‘입력 마이크로파 라인(Input Microwave Lines)’이라 부르며, 프로세서에 제어 신호 및 판독 신호를 보내는데, 이 때 신호는 큐비트 보호를 위해 현저하게 감쇠됨

<자료> IBM [그림 4] IBM Q의 크라이어펌 쉴드 구조

Ø 프로세서로 입력된 신호는 ‘양자 증폭기(Quantum Amplifier)’로 들어가 증폭되며, 증폭된 신호는 [그림 4]의 하단 오른쪽 상자 모양인 ‘극저온 절연체(Cryogenic Isolator)’로 들어가고 노이즈로부터 보호된 상태로 파이프 속을 지나가게 됨

Ø 또한 신호는 초전도 상태의 케이블을 타고 가면서 ‘큐비트 신호 증폭기(Qubit Signal Amplifier)’라는 장치에서 다시 한번 증폭되는데, 큐비트 신호는 매우 약하기 때문에 이를 노이즈로부터 보호하고 각 단에서 증폭하는 구조를 갖고 있음

Ø 프로세서는 [그림 5]의 중앙 부분에서 보는 것처럼 5개 큐비트로 구성되는데, 큐비트는 실리콘 기판에 초전도 금속(Superconducting Metal)을 탑재한 구조로 되어 있음

<자료> IBM

[그림 5] 5큐비트 프로세서

ž IBM이 작년에 공개한 5 큐비트 양자 컴퓨터는 현재 누구나 이용해 볼 수 있도록 ‘퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience)’라는 클라우드 서비스 형태로 제공되고 있음

Ø 개발자들은 누구나 양자 컴퓨터 알고리즘을 개발한 다음 클라우드를 통해 IBM 연구소에 설치되어 있는 Q에서 실행해 볼 수 있는데, 이미 4만 명 이상이 이용한 것으로 알려져 있음

Ø 퀀텀 익스피리언스는 IBM Q를 이용하기 위한 인터페이스로 ‘퀀텀 컴포저(Quantum Composer)’를 제공하고 있는데, [그림 6]처럼 음악의 오선지와 같은 모양을 띠고 있음

<자료> IBM [그림 6] 퀀텀 컴포저 인터페이스

Ø 퀀텀 컴포저 인터페이스의 오선지와 같은 다섯 개의 바는 5 큐비트 프로세서와 대응하며, 바의 우측에 블록 형태로 표시되는 ‘게이트(Gate)’라는 연산자를 선택해 붙여 나가는데, 연산 처리는 왼쪽에서 오른쪽 순서로 진행됨

Ø 바의 맨 오른쪽 마지막에 있는 분홍색 연산자는 ‘오퍼레이션(Operation)’이라 부르며 큐비트의 상태를 표시하는데, 이는 프린터처럼 연산 처리의 결과를 출력하는 역할을 함

Ø 퀀텀 컴포저 인터페이스의 아래 쪽은 큐비트의 물리적 상태를 표시하는데, 프로세서의 온도는 0.019651 Kelvin으로 초극저온 상태에서 프로세서가 가동되고 있음을 볼 수 있음

Ø IBM Q의 클라우드 서비스는 양자 컴퓨터의 보급에 상당한 기여를 하고 있다는 평가인데, IBM은 양자 컴퓨터 개방을 통해 혁신적인 애플리케이션들이 등장할 것으로 기대하고 있음

ž IBM은 수년 후 개발될 50 큐비트 양자 컴퓨터의 활용 방법에 대해, 범용이기는 하지만 특히 화학 분야와 보안 분야에서 활약이 기대된다고 밝히고 있음

Ø IBM Q는 현재의 컴퓨터에서 처리 할 수 없는 복잡한 모델을 실행하는데, 그 중 가장 중요한 응용프로그램은 화학 분야에서 분자 시뮬레이션이 될 것으로 보임

Ø Q는 분자의 모델링을 ‘Quantum State(양자역학으로 표현할 수 있는 상태)’까지 구축할 수 있기 때문에 분자의 특성을 정밀하게 이해할 수 있게 해주며, 이를 통해 신약 개발과 신소재의 개발이 크게 진전될 수 있을 것으로 기대됨

Ø 이미 IBM 연구소에서 여러 분자 모델을 IBM Q로 생성하는 데 성공하고 실증 실험이 진행되고 있는데, 현재의 컴퓨터로는 카페인과 같은 간단한 구조의 분자도 퀀텀 스테이트까지 시뮬레이션 할 수 없지만 이를 IBM Q에서 실행함으로써 새로운 지식을 얻을 수 있음

Ø 화학 분자 시뮬레이션 외에도 IBM은 공급망 최적화, 금융 위험 인자 분석, 새로운 암호화 기술의 개발 등에 50 큐비트 양자 컴퓨터가 이용될 것으로 기대하고 있음

Ø 보안 분야에서는 양자 컴퓨터의 등장으로 기존 암호 체계가 붕괴될 수 있기 때문에 양자 컴퓨터 시대의 본격적인 개막 이전에 새로운 보안 체계 구축이 시급하다는 의견도 대두되고 있음

Ø 가령 온라인 뱅킹의 경우 현재 통신 프로토콜로 ‘https’가 사용되고 있지만, 양자 컴퓨터의 정수 인수분해 알고리즘을 이용할 경우 암호화된 데이터의 해독이 가능해 ID와 암호를 읽을 수 있기 때문에, 양자 컴퓨터 시대에는 전혀 새로운 보안체계가 필요하다는 것임(주간기술동향 1788호 최신 ICT 이슈  “미 NSA, 양자 컴퓨팅 실용화에 따른 현 암호화 기술 붕괴 경고” 참고)  양자컴퓨팅_현재 암호화 시스템 붕괴.pdf

ž 이미 상용 양자 컴퓨터가 있지만, IBM이 추구하는 기술방식은 더 까다롭되 성능 개선이 확연하기 때문에, 50 큐비트 Q의 등장은 진정한 양자 컴퓨터 시대의 개막을 알리게 될 전망

Ø 양자 컴퓨터의 아키텍처 구성에는 여러 모델이 존재하는데 이미 제품을 판매하고 있는 캐나다 D-웨이브는 ‘퀀텀 어닐러(Quantum Annealer)’라는 기술방식으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있음

Ø 이 방식은 에너지 레벨을 변화시키는 ‘양자 변동(Quantum Fluctuation)’이라는 과정을 통해 ‘전역 최소값(Global Minimum)’을 찾는 구조인데, 사용할 수 있는 응용프로그램이 제한되어 있어 ‘최적화(Optimization)’ 전용 머신으로 분류됨

<자료> D-Wave [그림 7] D-웨이브의 D-Wave 2000Q

Ø 따라서 D-웨이브의 퀀텀 어닐러 모델은 양자 컴퓨터의 기술 발전에 크게 기여했고 그 공적이 높이 평가되고 있기는 하지만, 성능 면에서는 기존 컴퓨터보다 확연히 클 수 없다는 것이 전문가들의 공통된 견해임

Ø D-웨이브가 2011년에 최초로 발표한 ‘D-Wave One’은 록히드 마틴 등에서 사용되고 있고, 후속 기종인 ‘D-Wave 2X’는 구글과 나사 등에서 사용 중이며, 최신 모델인 ‘D-Wave 2000Q’는 구글과 나사가 운영하는 ‘양자 인공지능 랩(Quantum Artificial Intelligence Lab)’에 설치되어 있음

Ø 반면 IBM은 ‘게이트 모델(Gate Model)’ 기술방식으로 범용 양자 컴퓨터를 개발하고 있는데, 적용할 수 있는 응용프로그램의 범위가 넓고 물리적으로 10만 큐비트까지 탑재할 수 있어 속도 차이가 현격한 시스템이 될 것으로 보임

Ø 단, 개발이 매우 어려워 컴퓨터 개발 분야의 ‘위대한 도전(Grand Challenge)’이라고 불리기도 하는데, IBM의 계획대로 기술 도전에 성공해 몇 년 후에 50 큐비트 급의 Q가 등장해 여러 분야에서 활용이 된다면 비로소 진정한 양자 컴퓨터의 시대가 시작될 것으로 예상

Ø D-웨이브와 IBM는 양자 컴퓨터에 대한 접근 방법을 놓고 약간의 논쟁을 벌이기도 했지만, 지금은 서로의 방식을 존중하며 상용화 시기를 앞당긴다는 공동의 목표를 향해 나아가고 있는 중

Ø MIT가 발행하는 테크놀로지 리뷰는 지난 3월 올해의 10대 혁신기술을 발표하며 미래 컴퓨터의 시대가 곧 도래할 것이라 전망했는데, 실제로 몇 년 뒤면 현재의 수퍼 컴퓨터보다 수백만 배의 속도를 가진 컴퓨터가 사회 전 분야에서 활용되며 상상할 수 없는 세상을 열 것으로 보임