[미래기술25]수십 수백만개 데이터 '병렬연산'..'1억배 빠른' 컴퓨터 옵니다

출처: IBM

[이데일리 이재운 기자] 비가 오면 어김없이 서울로 들어오는 경부고속도로나 자유로는 어김없이 막힙니다. 경기도에서 서울로 출·퇴근하거나 통학하는 이들에게는 답답할 노릇이죠. 난치병이나 불치병에 맞는 신약 개발도 연구 진척이 더디기만 합니다. 기술이 발전했다는데 왜 이런 한계는 여전한지 답답해하던 이들의 고민을 해결해줄 신기술이 급부상하고 있습니다. 바로 ‘양자컴퓨터(Quantum Computer)’가 그 주인공이죠. 그렇다면 양자란 무엇일까요?

원자 쪼갠 양자, 행렬 함수로 1억배 속도 구현

세상의 모든 물질은 ‘분자’로 이뤄져 있습니다. 분자를 다시 들여다보면 원자가 결합한 형태이고, 원자를 다시 들여다보면 ‘양자(Quantum)’와 ‘전자’, ‘소립자’ 등으로 구성돼 있습니다. 이중 양자는 과학적으로 에너지를 갖는 최소한의 단위입니다.

몸이 가벼운 존재인 양자는 나노미터(nm) 10분의 1 수준의 아주 미세한 크기로 빠르게 움직입니다. 이런 개념을 연구하고 발전시키는 학문이 ‘양자역학’이고, 이를 적용해 만든 컴퓨터가 바로 양자컴퓨터입니다.

현재 우리가 사용하는 컴퓨터는 ‘비트(bit)’라는 정보 표현방식을 바탕으로 0과 1을 조합한 이진법에 연산 작용을 더해 데이터를 처리합니다. 양자컴퓨터는 이보다 더 작은 ‘큐비트(quantum bit, qubit)’를 기반으로 0과 1이 중첩되거나 얽히는 등 훨씬 더 다양한 데이터 조합을 병렬로 처리합니다. 이는 여러 행과 열로 숫자를 배치하는 ‘행렬’ 함수를 이용하기에 가능해집니다. 여러 개의 큐비트는 시간적이나 공간적으로 상관성을 가질 수도 있게 됩니다.

이를테면 기존의 2비트는 0과 1을 조합할 때 00, 01, 10, 11 등 네 가지 조합 중 하나만 이용할 수 있지만, 2큐비트는 두 가지 이상, 최대 네 가지 정보를 동시에 담을 수 있게 되는 식입니다.

이를 응용하면 보다 복잡한 데이터를 지금보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있게 되는 것이죠. 동일한 시간 내에 더 많은 데이터를 병렬식으로 동시에 다룰 수 있으니까요. 일본에서 나온 양자컴퓨터 관련 한 서적의 국내 출간 제목은 ‘1억배 빠른 양자컴퓨터가 온다’입니다. 기존 컴퓨터 대비 1억배 빠른 속도를 낸다는 뜻이죠.

IBM 필두, 美·中·日 투자 활발..한국은 아직 학계 위주

[이데일리 이미나 기자] 양자컴퓨터와 기존컴퓨터 연산 개념도

이런 효율성은 데이터 전송량이 폭증하는 ‘초연결(Hyperconnect)’ 시대를 맞아 많은 관심을 끌었고, IT 기업들은 앞다퉈 이 분야에 뛰어들어 상용화를 목표로 발빠르게 움직이고 있습니다.

특히 빅데이터(Big Data)나 인공지능(AI)처럼 순식간에 엄청난 양의 연산 작업을 수행해야 하는 분야는 물론이고, 모든 장치가 인터넷으로 연결되는 사물인터넷(Internet of Things; IoT)이나 가상현실(VR), 증강현실(AR) 등도 빠른 속도로 확산되고 있어 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다.

기술적으로 상용화에 가장 근접한 기술을 가진 업체는 캐나다의 ‘D-웨이브시스템(D-Wave Systems)’라는 업체입니다. 이 업체는 2000큐비트 성능의 제품 시연에 성공했습니다. 물론 실제 상용화까지는 갈 길이 더 남았지만요.

실질적으로 양자 컴퓨터 분야에서 선두를 달리는 곳은 흔히 미국을 꼽습니다. IBM과 구글이 대표적입니다. IBM은 ‘IBM Q’라는 브랜드를 통해 상용화를 목표로 하는 제품을 처음 선보였습니다. 현재까지 나온 제품은 50큐비트 성능으로, 당초 물리학자들이 상용화가 가능한 수준의 양자컴퓨팅이라고 전망했던 정도의 사양입니다.

실제 적용에는 아직 한계가 있긴 하지만, 스콧 크라우더 IBM 최고기술책임자(CTO)는 올 상반기 가진 국내 언론들과의 인터뷰에서 5년 내 상용화를 자신했습니다.

구글은 72큐비트 성능의 양자 프로세서 ‘브리슬콘(Bristlecone)’을 올 3월 선보였습니다. 구글은 실제 사용이 가능한 수준으로 오류 발생율을 낮췄다고 설명합니다. 지금은 구글이 가진 수 많은 빅데이터의 분석이나 AI 개발 역량 강화를 위한 기계학습의 수준을 한 단계 높이는데 적극 활용하고 있습니다.

이 밖에 미국의 인텔과 마이크로소프트(MS), 일본의 후지쯔와 중국의 알리바바그룹 등도 활발한 투자를 진행하고 있습니다. 인텔은 올 1월 미국에서 열린 세계 최대 전자산업 전시회 CES2018에서 49큐비트 성능 프로세서(CPU)를 선보였고, MS는 애저(Azure) 클라우드 서비스를 연계한 포트폴리오를 강조하고 있습니다.

후지쯔는 다른 기업들과 함께 관련 스타트업(1QBit)에 4500만달러 벤처 투자(시리즈B)를 진행하고 캐나다 토론토 등에 연구소를 열었습니다. 마윈 알리바바 회장은 150억달러를 미래 기술에 투자하겠다며 대표 분야로 양자컴퓨터를 먼저 꼽기도 했습니다.

국내에서는 아직 양자컴퓨터 대표 기업으로 꼽을 만한 곳이 마땅치 않지만, SK텔레콤과 삼성전자가 연구에 착수해 새로운 길을 모색 중입니다. 또 한국전자통신연구원(ETRI)이나 대학 등 연구기관에서 적극적으로 연구를 진행하며 상용화로 이어가기 위해 노력하고 있습니다.

양자컴퓨팅에서 현재 가장 각광받는 분야는 현재 정보보안 분야입니다. 최근 SK텔레콤이 강조하는 ‘양자암호통신’이 대표적입니다. 역설적이게도, 정보보안 분야에서 양자컴퓨팅에 주목하는 이유는 바로 공격자들이 양자컴퓨터로 해킹 공격에 나서는데 대한 방어를 위해서입니다.

공격자들은 갈수록 지능화되고 교묘한 수법을 이용하기 때문에 이를 방어하는데 지금보다 훨씬 높은 수준의 기술이 필요하기 때문입니다. 특히 공격행위를 자동으로 계속 시도하는 지능형 지속 위협(Advanced Persistent Threat; APT) 수법이 날로 복잡해지고 있어 이를 막기 위한 측면에서 양자컴퓨터가 많이 주목받고 있습니다.

다른 분야에서도 역시 활용을 모색하고 있습니다. 의료·제약과 국방, 제조업, 항공우주 분야가 대표적입니다. 교통, 도시계획 등 행정 분야에서도 역시 응용 연구가 한창입니다.

ETRI가 진행한 연구 프로젝트 성과를 보면 △태양전지 효율 개선을 통한 신재생 에너지 기술 발전 △식물 질소고정 연구에 따른 비료 효율성 증가 △상온 초전도 현상 해석해 전력망 누수 최소화 등이 있습니다. 복잡한 데이터를 고도의 역량으로 분석해내야 하는 과제들을 해결해낸 것입니다.

연평균 24% 고성장 시장, 일자리 창출 기회로

2000년대 초반 등장한 양자컴퓨팅은 이제 IT를 중심으로 돌아가는 4차 산업혁명의 시대에 가장 핵심적인 기술로 자리매김할 것입니다. 시장조사업체 마켓리서치퓨처는 양자컴퓨팅 관련 시장 규모가 2016년부터 2022년까지 연평균 24%씩 성장, 전체 24억6400만달러(약 2조7331억원)에 이를 것으로 예상합니다.

미국 온라인 경제매체 마켓워치는 양자컴퓨팅 시장에서 인텔, 록히드마틴, IBM 등이 양자컴퓨팅 분야의 핵심 기업이라고 꼽았습니다. 동시에 캐나다의 D-웨이브시스템과 애니온시스템, 영국의 캠브리지퀀텀컴퓨팅, 미국의 리게티컴퓨팅과 QC웨어 등도 주목할 기업으로 소개했습니다.

우리 기업은 아직 여기에 이름을 올리지 못했지만, 과거 CDMA 무선통신 기술을 우리나라가 주도해 세계 표준으로 발전시켰던 과거를 되살려 세계 시장의 흐름에 주도적으로 참여하는 상황이 오길 기대해봅니다. SK텔레콤이 주도하는 양자암호통신도 주요 응용분야로 주목받고 있습니다. ETRI를 비롯한 국내 연구진들의 노력이 결실을 맺고, 나아가 세계를 선도하는 일자리 창출로 이어지길 바라봅니다.

D-웨이브시스템즈의 ‘D-Wave 2000Q’ 양자컴퓨터. D-웨이브시스템즈 홈페이지

[미래기술25]“최근 본격적 연구 움직임..우리도 아직 늦지 않아”[미래기술25]SK텔레콤, 양자암호통신 국제표준 주도…삼성전자, 양자컴퓨터 반도체 개발 총력