▲ 실리콘으로 만들어진 양자컴퓨터는 제조기술을 활용하여 상용제품들을 보다 더 쉽게 만들 수 있다. (출처: WIKIPIDIA)

양자컴퓨팅 혁명의 기대가 높아지는 가운데 D-wave, 구글, IBM, MS, 리게팅컴퓨팅을 비롯한 많은 IT기업들이 양자컴퓨터 개발 사업에 뛰어들고 있다. 이는 각 기업 간의 양자컴퓨터 주도권을 차지하기 위한 기술경쟁이 본격화될 조짐으로 예상된다. 

그야말로 양자컴퓨터 개발 사업의 춘추전국시대가 열린 것이다. 시장조사기관인 마켓 리서치 퓨처에서는 2022년 양자컴퓨팅 산업의 시장 규모를 24억 6,400만 달러가 될 것으로 전망했다.

가장 먼저 양자컴퓨터를 시장에 판매한 곳은 캐나다의 양자컴퓨터 개발업체 D-wave다.  D-wave의 양자컴퓨터는 한 대에 약 170억 원 가량이며, 현재 NASA뿐만 아니라 록히드마틴(Lockheed Martin) 등에서도 사용 중인 것으로 알려졌다. 최근 D-wave는 2000큐비트급 신제품인 D-Wave 2000Q를 공개했다. D-wave측에 따르면, “D-Wave 2000Q는 이전에 사용되었던 1000큐비트급 대비 약1000배 이상 빠르다”고 밝혔다.

하지만 아직까지 범용 컴퓨팅이 아니라 일부 특수한 분야에서만 사용할 수 있는 초기 버전의 양자 컴퓨터라는 것이 결론이다. 즉, 양자 컴퓨터라고 딱히 정해 부를 수 있을 정도는 아니란 뜻이다.

▲ Google 양자 컴퓨팅 칩. 사진자료: Google

현재 양자컴퓨터 개발의 선두주자는 구글이다. 구글은 존 마르티니즈(John Martinis) 박사를 필두로 양자컴퓨터를 연구개발 중이며, 최근 5년 이내에 양자컴퓨터 기술을 상용화하겠다는 계획과 함께 “양자컴퓨터 능력이 현재의 슈퍼컴퓨터를 넘어서는 것을 증명해 보이겠다.”라고 밝힌 바 있다. 

존 마르티니즈 박사는 “구글이 이미 9개, 22개짜리 양자컴퓨터를 만드는데 성공했다”며, “앞으로 50개의 큐비트를 칩을 개발해 이를 탑재한 양자컴퓨터를 공개할 예정이다”라고 말했다. 

특히 구글이 개발하고 있는 기술은 아날로그 방식의 양자컴퓨터에 독자적으로 개발한 디지털기술을 통합한 하이브리드 방식이란 점이 특징이다. 

구글이 학술논문 네이처(Nature)에 기고한 논문에 따르면 구글은 하이브리드 방식을 채택함에 따라 아날로크 방식인 ‘단열 양자컴퓨터(Adiabatic Quantum Computer)’기술을 디지털 기술로 보완한다는 것이다. 또한 하이브리드 방식이라는 독특한 양자 컴퓨터를 통해 ‘발견적 양자 알고리즘(Heuristic Quantum Algorithms)을 구현하는 것이 목적이라고 밝혔다.

구글의 양자컴퓨터는 ‘휴리스틱(Heuristic, 스스로 발견하도록 돕는 학습법)’이라 부르는 새로운 기반 기술이다. 구글의 양자컴퓨터가 등장하여 휴리스틱 양자 알고리즘이 위력을 발휘한다면 시뮬레이션(Simulation), 샘플링(Sampling), 최적화(Optimization) 등에 응용될 것이다. 

시뮬레이션은 양자컴퓨터에서 화학반응과 물질소재를 모델링하고 시뮬레이션하는 것을 말한다. 양자수준의 모델링은 현재의 컴퓨터로는 불가능한 수준이기 때문에 구글의 양자컴퓨터가 크게 활약할 것으로 기대하고 있다. 구글은 실제 49큐비트로 구성된 양자컴퓨터를 사용해 샘플링 연구를 진행하고 있다.

▲ IBM Q 양자 시스템. 사진출처: 인버스(Inverse)

IBM은 2017년 3월 6일, 세계 최초로 ‘범용 양자컴퓨터(Universal Quantum Computer)’를 클라우드 서비스 형태로 상용화하겠다는 계획을 밝혔다. IBM이 ‘범용’이라는 수식어를 붙인 이유는 Q가 제약과 물류, 금융, 보안, 인공지능(AI) 등 다양한 산업에 적용할 것을 목표로 하기 때문이다.

IBM은 Q 로드맵을 공개했다. 현재 5큐비트 수준의 시스템을 유지하고 있으며 향후 열 배인 50큐비트로 확장하겠다는 계획이다. IBM의 최종목표는 수천 큐비트를 가진 범용 양자컴퓨터를 개발하는 것이라는 포부를 밝힌 바 있다. IBM은 Q 로드맵을 통해 공개한 5큐비트 양자 컴퓨터를 누구나 이용해 볼 수 있도록 ‘퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience)’라는 클라우드 서비스 형태로 제공하고 있다.

MS(마이크로소프트)는 2005년 양자컴퓨터 개발연구를 위한 ‘스테이션 Q’를 개설했다. MS에서 선보일 양자컴퓨터는 ‘위상 양자컴퓨터’이다. 위상 양자컴퓨터는 기존의 연구와 다른 방식의 새로운 패러다임으로 양자컴퓨터의 오류에 대한 내성이 높은 구조라는 특징이 있다. 위상 양자컴퓨터는 ‘준입자 집합체(Quasiparticle Aggregate)’를 기본단위로 하여 기본 단위사이의 엉킴을 측정하여 이를 연산단위 큐빗으로 전환한다. 준입자의 집합체는 뜨개질처럼 다른 집합체와 얽히면서 진행되는 방식이다.

MS의 ‘위상 양자컴퓨터’가 오류에 대한 내성이 높은 이유는 개별 의사입자에 정보를 인코딩하는 것이 아니라 선이 꼬이는 횟수(이는 의사입자의 집합체가 포지션을 바꾸는 순서를 의미)에 정보를 인코딩하기 때문이다.

한편 대기업의 행보에 맞서 단연 돋보이는 것은 필자가 앞서 기고한 바 있는 리게팅컴퓨팅이다. 리게팅컴퓨팅 또한 3큐비트를 탑재한 양자컴퓨터 2대를 보유하고 있으며 양자컴퓨터 상용화를 위해 꾸준히 연구 개발 중이다. IBM, 구글, MS에 대응할 리게팅컴퓨팅만의 특색을 가진 양자컴퓨터를 개발하기 위해 채드 리게티를 포함한 연구진들은 양자컴퓨터 개발을 더욱 가속화해야 할 것이다. 

최근 국내에서도 양자컴퓨팅 산업에 대한 관심이 높다. 국내 최고 수준의 연구진들인 한국과학기술연구원 양자정보연구단 조영욱 박사팀은 새로운 융합연구 형태인 개방형 연구사업(ORP, Open Research Program)의 일환으로  ‘KIST Joint Research Lab’ 포항공대 김윤호 교수팀(POSTECH)과 공동연구를 통해 양자컴퓨터의 연산과정을 효율적으로 검증할 수 있는 새로운 방법을 구현했다고 밝혔다.

전 세계적으로 주목받고 있는 양자컴퓨터 개발이 머지않아 이뤄질 것으로 전망된다. 완전한 범용 양자컴퓨터가 개발되어 인류가 한층 더 진화된 시대를 이끌어가길 기대한다.

▲ 출처: YouTube

양자컴퓨터 개발에 따른 암호화 기술 파괴

양자컴퓨터 개발은 인류의 미래에 큰 발전을 가져다줄 이점을 갖고 있지만 이는 ‘양날의 검’ 같은 특징을 띄고 있다. 2017년 3월 세계 최대 보안 컨퍼런스 ‘RSA 2017’에서 양자컴퓨터가 암호화 기술에 미치는 위협 및 대응방안에 대한 논의가 이루어졌다. 

특히 미국 국가안전보장국(NSA, National Security Agency)은 ‘상용 국가보안솔루션과 양자컴퓨팅 FAQ’라는 보고서를 공개하고 양자컴퓨터가 암호화 기술에 미치는 위협에 대해 경고의 메시지를 전했다.

미국 정부는 오래 전부터 암호화 기술을 표준화하고, 기밀데이터를 안전하게 취급하기 위해 표준 알고리즘을 사용할 것을 권장해왔다. 이것은 현재까지 미국의 정부와 민간기업의 기밀정보를 송·수신하는 데 폭넓게 사용되고 있다. 또한 미국뿐 아니라 전 세계적으로 사용되고 있기 때문에 NSA의 경고가 들어맞는다면 양자컴퓨터의 등장으로 암호화 알고리즘이 파괴될 것을 의미한다.

가장 큰 문제는 양자컴퓨팅이 보안에 미치는 문제점을 지적하고는 있지만, 실제로 현재 보안시스템을 대체할 대안은 제시되고 있지 않다. 이는 양자컴퓨터 개발과 함께 향후 과제로 적시하고 있을 뿐이다. 

미국의 암호화 알고리즘을 담당하고 있는 국립표준기술연구소(NIST)는 양자컴퓨터에 대응할 ‘양자 이후 암호화 기술(Post-Quantum Cryptograph)’에 대해 주도적으로 개발할 것이라고 언급했지만 뚜렷한 대응방안은 제시하고 있지 않다.

현재 암호화 알고리즘은 ‘공개키 암호화(Public-Key Cryptography)’라는 기술방식이다. 공개키 암호화 기술은 공개키와 비밀키의 쌍을 이용해 데이터를 안전하게 송수신하는 구조를 말한다. 공개키 암호화 방식은 인터넷에서 널리 사용되고 있으며 ‘https’가 대표적이다. 

하지만 양자컴퓨터가 개발 상용화되어 악용되었을 시, 전 세계의 웹 통신과 인터넷 뱅킹이 위기에 노출될 것이며, 일생일대의 혼란이 벌어질 것으로 예상된다. 인류는 양자컴퓨터 개발에만 전전할 것이 아니라 동시에 양자컴퓨터로 인한 보안 붕괴를 막기 위한 양자 이후 암호화 기술 또한 미리 준비해야 할 것이다.

참고자료
* IT NEWS, 양자컴퓨터
* 정보통신기술진흥센터(IITP) 주간기술동향 최신ICT이슈/양자컴퓨팅
* http://www.jksmi.org