양자 컴퓨팅 소개

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양자 컴퓨팅

차세대 컴퓨팅 기술

빠른 링크:

차세대 컴퓨팅 기술
기하급수적으로 더 강력해진 컴퓨터
아키텍처
구성 요소 기술
클라우드에서
금융 서비스 분야에서의 애플리케이션
기타 부문
성장 마크

양자 컴퓨팅의 출현은 포괄적인 경제 및 사회 변화를 주도하는 차세대 주요 기술 혁신을 의미합니다. 다음은 이 기술에서 기대할 수 있는 기능에 대한 간략한 소개입니다.

양자 컴퓨팅(QC)은 양자 물리학을 활용하는 차세대 컴퓨팅 기술입니다.

기존 컴퓨팅은 기본 단위인 비트에 의존하는 반면, 양자 컴퓨팅은 큐비트 또는 큐비트 사이의 모든 값 또는 이들의 조합에 의존합니다.

Quantum computing concept with qubit icon 3d rendering

비트는 0 또는 1, 꺼짐 또는 켜짐과 같은 이진 논리에 따라 존재하지만, 큐비트는 '중첩(")'이라는 현상을 통해 0 상태와 1 상태에 동시에 존재할 수 있습니다.

Qubit concept representation. Visualization of quantum bit, vector concept

'얽힘'은 QC에 힘을 부여하는 또 다른 근본적인 현상입니다. 두 개 이상의 큐비트가 얽혀 있으면 기어박스에 얽힌 톱니바퀴처럼 하나의 시스템처럼 작동하므로, 하나의 큐비트를 변경하면 얽혀 있는 다른 모든 큐비트가 변경됩니다. 즉, 하나의 연산이 여러 큐비트의 상태에 동시에 영향을 미칠 수 있습니다.

그 결과 놀랍도록 강력한 새로운 유형의 컴퓨팅이 탄생했습니다.

2030년까지 전 세계에 2,000~5,000대의 양자 컴퓨터가 보급될 것으로 예상됩니다. 2018년에는 12건 미만이었습니다.

Abstract tech background 3D illustration. Quantum computer architecture. Fantastic night city. Futuristic technologies in global communication network

QC는 기존 컴퓨팅으로 해결할 수 있는 문제보다 기하급수적으로 더 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

1,000큐비트 양자 컴퓨터(2~3년 내에 출시될 것으로 예상됨)는 10³⁰¹(1 뒤에 0이 301개 있는 상태)의 서로 다른 '정보 상태'를 동시에 처리할 수 있습니다.

여기서 '상태'는 주어진 문제에 대한 하나의 가능한 해결책을 의미합니다. 가능한 해결책은 대부분 틀릴 수 있으므로 탐색할 수 있는 상태가 많을수록 최상의 해결책을 찾을 가능성이 높아집니다.

양자 어닐러는 최적화 작업에 특화되어 있습니다. 항공사는 이러한 컴퓨터를 사용하여 모든 승객 일정을 충족하면서 연료 사용을 최소화하는 최적의 항공기 노선 스케줄을 준비할 수 있습니다.

2~5년내에 상업적 영향력을 발휘하기 시작할 것입니다.

게이트 기반 양자 컴퓨터는 범용적이기 때문에 다양한 문제를 계산할 수 있습니다. 앞으로 제약 회사는 신약 화합물을 합성하고 테스트할 필요 없이 수백만 가지의 효과를 탐색하는 시뮬레이션에 이 기술을 사용할 것입니다.

7~10년후에 상업적 영향력을 발휘하기 시작할 것입니다.

초전도 큐비트

양자 컴퓨터 개발을 위한 선도적인 기술 플랫폼 중 하나입니다. IBM, Google, D- Wave 등이 이를 활용하고 있습니다. 초전도 시스템은 일반적으로 양자 계산에 적합한 조건을 만들기 위해 절대 영도에 가까운 매우 낮은 온도에서 작동합니다.

양자 네트워크

양자 네트워크는 통신 채널을 통해 양자 얽힘 정보를 전송할 수 있게 해줍니다. QKD를 가능하게 하는 기술 중 하나이며 보안을 개선하고 대역폭을 늘릴 수 있습니다.

양자 키 분배(QKD)

양자역학의 구성 요소와 관련된 암호화 프로토콜을 구현하는 안전한 통신 방식입니다. 이를 통해 두 당사자는 자신들만 아는 임의의 공유 비밀 키를 생성할 수 있으며, 이 키를 사용하여 메시지를 암호화하고 해독할 수 있습니다. 스누핑이나 "중간자 공격(man-in-the-middle" )에 무방비 상태입니다.

양자 센서

분자 이하의 수준에서 자연을 조작하는 양자 물리학의 원리를 이용해 미세 중력의 변화를 감지하여 작동하는 장치입니다. 양자 센싱은 양자 얽힘, 양자 간섭, 양자 상태 압착과 같은 양자역학 특성을 활용하여 현재의 센서 기술 한계를 뛰어넘고 불확실성 원칙을 회피합니다.

양자 이온 큐비트

양자 이온 트랩은 양자 컴퓨터를 개발하는 데 사용되는 또 다른 기술 플랫폼입니다. 자유 공간에 이온을 가두기 위해 전자기력을 사용하는 것입니다. lonQ는 이러한 접근 방식을 선도적으로 지지하는 기업입니다.

어닐링 아키텍처

어닐링 아키텍처는 양자 시스템에서 가장 낮은 에너지 상태를 찾는다는 아이디어를 기반으로 하는 더 간단한 아키텍처입니다. 이 최저 에너지 상태는 최적화 문제의 최적 솔루션에 해당합니다.

게이트 아키텍처

게이트 아키텍처는 실리콘 기반 중앙 처리 장치의 빌딩 블록 역할을 하는 로직 게이트의 양자 등가물을 사용합니다. 이러한 사실을 고려할 때, 게이트 기반 양자 컴퓨터는 적어도 이론적으로는 기존 컴퓨터와 동일한 문제 집합을 계산할 수 있습니다.

포토닉스

광자 시스템은 큐비트를 생성하기 위해 빛의 펄스와 편광에 의존합니다. 대부분의 다른 큐비트 기술과 달리 상온에서 작동한다는 장점이 있지만, 초전도 큐비트보다 훨씬 느리게 작동하는 경향이 있습니다. 자나두는 광자 기반의 QC 접근 방식을 추구하는 선도적인 기업입니다.

포스트퀀텀 암호화(PQC)

포스트퀀텀 암호화는 양자 컴퓨터에 내성이 있는 새로운 공개 키 암호화 방식을 통칭하는 용어입니다. PQC 알고리즘을 선택하는 과정은 미국 국립표준기술연구소(NIST)에서 관리하고 있습니다. 대부분의 대규모 조직은 NIST의 리드를 따르고 있습니다.

하드웨어

일반적으로 QC가 필요한 회사는 자체 컴퓨터를 소유하지 않습니다. 온프레미스 양자 컴퓨터는 몇 가지 중요한 이유로 인해 현재 실용적이지 않습니다:

양자 디바이스는 고가입니다.
운영이 복잡하고 비용이 많이 듭니다.
양자 디바이스가 제조업체로부터 업그레이드를 받는 빈도를 고려할 때, 개별 양자 디바이스는 빠르게 구식이 될 수 있습니다.

대신 양자 컴퓨터의 최종 사용자는 클라우드 서비스를 통해 액세스합니다.

이 접근 방식에서는 제공업체가 자체 클라우드 서비스를 통해 자체 QC 디바이스에 대한 액세스를 제공합니다. IBM은 이 접근 방식을 따르는 가장 중요한 회사로, IBM Q 네트워크를 통해 QC를 제공합니다.

강점

공급자의 기존 클라우드 플랫폼과 퀀텀 플랫폼 간의 긴밀한 통합 기존 클라우드 플랫폼과 퀀텀 플랫폼 간의 네트워크 지연 시간 감소로 지연 시간이 짧은 애플리케이션(사기 탐지 등)에 유리합니다.

약점

양자 컴퓨팅 백엔드 옵션 선택 제한

보다 제한적인 상업용 모델의 가능성

공급업체 종속의 위험

이 접근 방식에서는 주요 클라우드 서비스가 타사 공급업체의 QC 디바이스에 대한 액세스를 제공합니다. 예를 들어 아마존 브라켓은 D-Wave, 리게티, 옥스포드 퀀텀 회로, IonQ, 자나두를 이용할 수 있으며, 더 많은 서비스가 준비 중입니다. Microsoft Azure Quantum은 Quantinuum, IonQ, 퀀텀 회로, 리게티, 파스칼, 1Q비트, Microsoft QIO 및 도시바 SQBM+에 액세스할 수 있습니다.

강점

클라우드 제공업체의 기존 액세스 및 청구 서비스 및 유사한 공유 서비스 사용

일반적으로 "종량제" 모델을 통해 양자 컴퓨터에 쉽게 액세스할 수 있는 진입로를 제공합니다.

다양한 양자 컴퓨터에 대한 액세스를 제공하여 플랫폼 간 비교 및 당면한 문제에 적합한 장치를 식별할 수 있습니다.

약점

네트워크 왕복 및 대기열로 인해 양자 장치에 액세스하는 데 지연 시간이 길어지는 경향

이로 인해 실시간 또는 짧은 지연 시간이 요구되는 사기 탐지 및 고빈도 거래와 같은 애플리케이션에서는 이러한 애플리케이션이 실용적이지 않을 수 있을 정도로 문제가 발생합니다.

향후 클라우드 제공업체는 기존의 CPU 및 GPU 하드웨어와 함께 데이터 센터에 양자 장치를 호스팅하여 지연 효과를 최소화하고 사기 탐지 및 고빈도 거래와 같은 새로운 종류의 고처리량, 저지연 양자 클래식 하이브리드 애플리케이션을 구현할 수 있습니다.

소프트웨어/API

API 및 관련 SDK는 오픈 소스인 경우가 많으며, 몇 가지 예외를 제외하고는 Python 프로그래밍 언어로 작성됩니다.

각 주요 QC 공급업체는 일반적으로 자사 기기 또는 서비스를 지원하기 위해 자체 API를 제공합니다.

IonQ와 같은 일부 벤더는 자체 독점 API를 개발하는 대신 다른 벤더의 API를 지원하기로 결정했습니다. 예를 들어 IonQ는 IBM과 Cirq의 키스킷을 지원합니다. 이 접근 방식을 사용하면 예를 들어 IBM 양자 머신을 위해 Qiskit으로 작성된 양자 알고리즘을 IonQ 장치에서 실행하도록 보다 쉽게 포팅할 수 있습니다.

앞으로는 대형 기술/클라우드 제공업체(IBM/아마존/마이크로소프트)가 제공하거나 의무화한 소수의 표준화된 API를 양자 컴퓨팅 하드웨어 공급업체가 구축하게 될 것입니다.

금융 기관이 QC 분야에서 리더십을 확보하기 위해 노력함에 따라 기술 및 인재 개발과 유지가 핵심 경쟁력이 될 것으로 보입니다. 양자 기술을 선도적으로 적용하는 기업은 보안, 운영 효율성, 제품 효과성이 크게 향상되는 반면, 후발 주자는 이러한 비즈니스 측면이 약화될 수 있습니다.

양자 컴퓨터가 오늘날의 PKI 기반 암호화 시스템을 해독할 수 있을 만큼 충분히 강력할 것으로 예상되지는 않지만, 양자 위협에 대응하기 위해 양자 컴퓨터를 준비하기 위해 해야 할 일이 많이 있습니다.

QC는 다른 다양한 영역에서 잠재적으로 혁신적인 애플리케이션을 제공합니다.

신약 개발

양자 컴퓨팅은 분자의 식별 및 시뮬레이션 속도를 높여 신약 개발 프로세스를 개선합니다. 실험을 습식 실험실에서 컴퓨터로 옮기고 연구자들은 기존 컴퓨팅으로는 고안하는 데 수십 년이 걸리는 화학적 조합에 액세스할 수 있게 됩니다.

자동차

QC는 실행 가능한 자율주행차 생태계에 더 가까이 다가갈 것입니다. 양자 기반 AI와 머신러닝은 필요한 알고리즘의 학습 프로세스를 가속화할 것입니다. 이미지 분류 및 3D 객체 고정도 QC의 이점을 누릴 수 있습니다.

시뮬레이션

QC는 현실 모델링에 새로운 기능을 제공할 것입니다. 기상이변을 더 잘 예측하고, 기후 변화를 도표화하고, 도시 개발이 배출량에 어떤 영향을 미칠지 예측하고, 인구 증가를 예측하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.

QC가 주목을 받으면서 자연스럽게 다양한 분야에서 사용 사례가 등장할 것입니다.

새로운 기술

하드웨어
소프트웨어

다양한 하드웨어 공급업체가 다양한 기본 물리적 현상을 사용하고 범용 게이트 기반 접근 방식과 양자 어닐링 접근 방식을 모두 사용하여 자체 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

일반적으로 자체 소프트웨어 라이브러리를 제공하는 하드웨어 공급업체(예: IBM qiskit, D-Wave Ocean, Google Cirq) 외에도 다수의 순수 양자 소프트웨어 공급업체도 있습니다. 그중에서도:

2016

$89M

글로벌 양자 컴퓨팅 시장

2025

$949M

글로벌 양자 컴퓨팅 시장(예상)

30% 2017년부터 2025년까지 CAGR

양자 컴퓨터는 특정 작업에 적합할 것입니다. 단기적으로 양자 컴퓨터는 복잡한 수치 문제 해결에 탁월할 것이며 기존 클래식 컴퓨터와 공존하여 양자-클래식 하이브리드 시스템을 구현할 것입니다. 하이브리드성은 중요한데, 기존 컴퓨팅은 잘게 잘린 결과물을 제공하는 반면, 양자 컴퓨터는 확률 분포로 결과물을 제공하므로 기존 컴퓨터로 선별해야 할 수 있는 답의 집합을 생성하기 때문입니다. 더 먼 미래에는 QC가 혁신을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다. 혁신적인 신약을 개발하고, 금융 시장의 작동을 최적화하고, 네트워크를 보호하고, 지구의 생태부터 글로벌 수요와 공급 네트워크에 이르기까지 복잡한 시스템을 이해하는 등 특정 분야에서 엄청난 발전을 이룰 수 있을 것입니다. 최대 효과에 관해서는 지평이 열려 있습니다. 사회적, 경제적 차원에서 상당한 변화가 시작되고 있습니다: 기존 컴퓨팅과 마찬가지로 QC는 우리의 생활 방식에 포괄적인 변화를 가져올 것입니다. 하지만 앞으로 수십 년 동안 이 강력한 새 도구로 최고의 인재들이 어떤 일을 해낼 수 있을지 지켜볼 수 있을 것입니다.

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