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[전문가칼럼] 미래의 게임 체인저 '양자컴퓨팅'과 양자 알고리듬
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작성일2023-10-04
[전문가칼럼] 미래의 게임 체인저 '양자컴퓨팅'과 양자 알고리듬
연세대학교 양자정보기술연구원 문경순 원장
<약력>
학력: 연세대학교 물리학과 이학사/석사, 미국 인디애나대학교 이학박사
경력: 연세대학교 물리학과 교수 (1998. 03 - 현재)
연세대학교 양자정보기술연구원 초대원장 (2022.03 - 현재)
미국 예일대학교 방문교수 (2004.08 – 2005. 08)
이태리 국제이론물리연구소 객원위원 (2001 - 2007)
1) 초전도체에 대한 관심이 양자 기술로 이어지고 있다. 초전도체와 양자컴퓨터는 어떠한 연결성이 있는지 설명해 달라.
현재 개발되고 있는 양자컴퓨터 하드웨어 플랫폼을 분류하면 초전도 기반, 이온 트랩/중성원자 기반, 광자 기반, 반도체 양자점/고체 점 결합 기반, 그리고 신규 플랫폼 기반 양자컴퓨터로 분류할 수 있다. 양자컴퓨터 개발에서 선두로 평가받는 IBM과 구글은 초전도 방식의 큐비트를 이용한 범용 양자컴퓨터를 개발하고 있다. IBM 양자컴퓨터는 수 mK의 극저온 하에서 초전도 조셉슨 접합의 특별한 변수 영역에서 구현되는 트랜스몬 큐비트에 조사되는 입력 마이크로파 펄스의 형태를 변화시켜 큐비트를 정밀하게 제어함으로써 양자 연산을 수행한다. 초전도체가 소재로 사용되는 이유는 큐비트의 성능을 저하시키는 다양한 소음의 영향을 최소화하기 위한 목적이다. 양자컴퓨터가 작동하는 온도는 희석 냉동기를 사용하여 도달할 수 있는 극저온인데, 고온 초전도체를 사용하면 작동온도를 높일 수 있지 않을까 생각할 수도 있다. 이를 위해서는 고온 초전도체를 이용하여 우수한 특성의 조셉슨 소자를 제작할 수 있어야 하는데, 아직은 달성되지 않았다.
양자컴퓨터 하드웨어 개발 현황
2) 최근 과기부에서 양자경제 실현을 위해 1000큐비트(qbit)의 양자컴퓨터를 개발하겠다는 목표를 제시하였는데, 양자컴퓨터 기술이 일상 또는 산업 분야에 어떤 혁신을 가져올 것으로 기대되는가?
현재 양자컴퓨터 하드웨어 개발 현황을 살펴보면 IBM 433큐비트 Osprey 프로세서를 필두로 Google Quantum AI, D-wave, IonQ, Xanadu 등의 기업들이 연구개발에 총력전을 기울이고 있으며 아울러 미국, 중국, EU, 일본, 호주 등을 비롯한 국가적인 경쟁도 매우 치열하다. 올해 12월에는 IBM에서 1000큐비트급 양자컴퓨터 개발 결과를 발표할 예정으로 알고 있다. 우리나라는 양자인프라 구축사업을 통하여 2026년까지 50큐비트 초전도 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있다. 연세대학교는 작년 3월에 양자정보기술에 대한 체계적인 연구와 교육, 포괄적인 응용, 그리고 국제협력을 통한 연구 네트워크 구축을 포함하여 사회 전반적인 양자생태계의 조성에 기여하기 위하여 양자정보기술연구원을 설립했다. 작년 12월 IBM 양자 클라우드 서비스 운영을 시작으로 내년 3월에는 메인 서버인 127큐비트 IBM Eagle 프로세서가 미국, 독일, 일본, 캐나다에 이어 세계에서 5번째로 송도 국제캠퍼스에 설치될 예정이다. 양자컴퓨터의 자체 개발과 함께 양자 알고리듬 개발은 필수적이므로 첨단 양자컴퓨터의 국내 도입은 매우 중요하다.
연세대학교 양자컴퓨팅 센터와 양자 연구동 (2024년 완공예정)
요즘 양자 머신 러닝에 대해 많은 관심들이 있다. 현대 사회는 수많은 빅데이터를 양산해내고 있으며 우리는 정보의 홍수 속에 살고 있다. 빅데이터를 처리하는 데 있어서 효율적인 샘플링의 장점을 가지고 있는 양자컴퓨터를 활용하는 것은 매우 자연스러우며 이론적으로 양자우위를 보여주는 예들도 다수 있다. 산업 분야에 실용적 응용 사례 개발을 위해서는 적극적인 양자 알고리듬 연구가 필수적이며, 양자 머신 러닝은 미래 금융, 국방, 의료 및 바이오, 신약개발 등 다양한 분야에 파급력이 상당히 크리라고 예상한다.
3) 최근 양자컴퓨팅을 활용하여 방사선 치료의 효율성과 효과성을 증대시키는 과제를 맡으셨다고 들었는데 이에 대한 간단한 설명과, 방사선 치료처럼 양자컴퓨터가 가져올 일상과 산업의 혁신에는 무엇이 있는지 설명해 달라.
연세대학교 방사선종양학교실 이익재·김진성 교수, 의생명시스템정보학교실 김휘영 교수, 양자정보기술연구원 문경순 원장, IT융합공학과 김시호 교수팀은 한국연구재단의 ‘양자컴퓨팅 기반 양자이득 도전연구’ 사업을 수주했다. 본 사업은 양자컴퓨팅을 활용한 혁신 사례 창출을 목표로 3년 동안 총 27.5억 원을 지원한다. 연세대 양자정보기술연구원과 연세의료원이 수주한 과제는 방사선 치료 계획 수립 시 양자컴퓨팅을 활용해 방사선 수송 몬테카를로 시뮬레이션을 고속화·정밀화함으로써 방사선 치료의 효율성을 제고하고 치료 효과를 증대시키는 것을 목표로 한다. 연세대 연구팀은 이 과제를 통해 양자컴퓨팅을 기반으로 방사선 치료 계획 수립에 드는 시간 및 비용을 절감함으로써 양자 이득 실현 가능성을 보여줄 예정이다. 양자컴퓨팅은 양자역학적 원리를 통해 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르고 효율적으로 복잡한 문제를 해결할 수 있는 연산 기술로, 현재 국가 미래 전략 기술로도 강조되고 있다. 금융을 비롯한 에너지, 화학, 재료과학, 기계 학습 등 다양한 사업과 분야에서 획기적인 혁명을 가져올 기술로 예상한다.
한국연구재단 양자이득과제 수주
4) 양자 컴퓨터 전공 분야에 종사하길 희망하는 사람들이 갖추면 좋을 직무 스킬 등, 미래의 동료들에게 자유롭게 한마디 한다면?
양자컴퓨팅은 미래의 게임 체인저 기술이며, 양자 알고리듬 개발은 블루오션이다. 양자 알고리듬 개발을 희망한다면 Python과 같은 프로그래밍 언어를 배우고, 양자역학 및 양자컴퓨팅의 기반이 되는 선형대수 공부를 추천한다.
