양자 컴퓨터

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1. 개요

양자 컴퓨터는 양자역학적 현상을 활용하여 정보를 처리하는 차세대 컴퓨팅 기술이다. 1980년대에 개념이 제시되었으며, 1990년대에 쇼어 알고리즘과 그로버 알고리즘과 같은 획기적인 알고리즘이 개발되면서 실용화 가능성이 열렸다. 현재는 IBM, 구글, 아이온큐 등 주요 기업들이 초전도, 이온 트랩, 광자 방식 등 다양한 방식으로 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 양자 컴퓨터는 특정 문제에 대해 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 계산할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 소인수분해, 데이터베이스 검색, 신약 개발 등 다양한 분야에 응용될 것으로 기대된다. 그러나 양자 컴퓨터는 아직 개발 초기 단계에 있으며, 큐비트의 불안정성, 오류 수정의 어려움, 윤리적 문제 등 해결해야 할 과제도 남아있다.

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양자 컴퓨터
양자 컴퓨터 지도
기본 정보
종류	컴퓨터
특징	양자역학적 현상 이용
역사
이론적 제안	1980년대 초
최초의 구현	1990년대 후반
개발 경쟁 심화	21세기 초
주요 개발 기업	IBM 구글 리게티 아이온큐 하니웰
작동 원리
기본 단위	큐비트
중첩	여러 상태 동시 표현
얽힘	큐비트 간의 상관관계
양자 게이트	큐비트 조작
유형
양자 어닐링 컴퓨터	최적화 문제 해결
게이트 방식 양자 컴퓨터	범용 계산 가능
응용 분야
신약 개발	새로운 약물 및 재료 설계
재료 과학	신소재 개발
금융	금융 모델링 및 알고리즘 개선
인공지능	머신러닝 알고리즘 개선
암호화	양자 암호 해독 및 암호 생성
장점
계산 속도	특정 문제에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠름
복잡한 문제 해결	기존 컴퓨터로 풀기 어려운 문제 해결 가능성
단점
불안정성	큐비트의 불안정성 및 오류 발생 쉬움
기술적 어려움	큐비트 제어 및 유지의 어려움
높은 비용	개발 및 유지 비용 매우 높음
상용화	상용화까지 많은 시간과 노력 필요
기술적 과제
오류 정정	큐비트 오류 해결
확장성	큐비트 수 증가 및 제어
상용화	실용적인 양자 컴퓨터 개발 및 상용화
용어
큐비트	양자 컴퓨터의 기본 정보 단위
중첩	여러 상태를 동시에 갖는 성질
얽힘	여러 큐비트 사이의 양자적 상관관계
양자 게이트	큐비트를 조작하는 논리 연산
양자 알고리즘	양자 컴퓨터를 위한 특별한 알고리즘
양자 우위	양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 보이는 시점
관련 정보
참고 자료	IBM Quantum Computing
관련 기술
초전도체	큐비트 구현에 사용
이온 트랩	큐비트 구현에 사용
광자	큐비트 구현에 사용
학문 분야
양자 정보 과학	양자 정보 이론 및 양자 컴퓨터 연구
양자 컴퓨팅	양자 컴퓨터 개발 및 응용 연구

2. 역사

찰머스 공과대학교의 Nanofabrication Laboratory가 2017년 5월에 제작한 양자 프로세서

양자 컴퓨팅의 역사는 1959년 리처드 파인만이 양자 역학을 계산에 도입하면서 시작되었다.^[5] 1980년 아르곤 국립 연구소의 폴 베니오프(Paul Benioff)는 양자 튜링 머신 개발이 이론적으로 가능함을 보였다.^[5] 1985년 데이비드 도이치(David Deutsch)는 양자 튜링 머신을 정의했다.^[7]

2011년 캐나다 기업 D-Wave Systems는 양자 어닐링을 이용한 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터 "D-Wave One"을 발표했다.^[2] 초기 모델은 128큐비트였다.^[18] 2019년에는 IBM Quantum이 양자 하드웨어 "IBM Q System One"을 발표했다.^[2]^[4]

2. 1. 1990년대

1994년 피터 쇼어는 소인수분해 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 쇼어 알고리즘^[33]을 발표하여 양자 컴퓨팅의 실용적 가능성을 제시했다. 고전 컴퓨터로는 현실적인 시간 안에 풀기 어렵다고 알려진 소인수분해 문제를 쇼어 알고리즘을 통해 매우 짧은 시간에 해결할 수 있어, RSA 암호의 안전성에 큰 영향을 미치게 되었다.

1995년에는 앤드류 스타인^[12]과 피터 쇼어^[13]가 양자 오류 정정 알고리즘을 고안하였다. 1996년 로브 그로버는 데이터베이스 검색 문제를 빠르게 해결할 수 있는 그로버 알고리즘^[35]을 고안했다. 같은 해, 세르주 아로슈는 실험을 통해 양자 디코히어런스를 증명했고,^[14]^[15] 이는 양자 컴퓨터 실현의 어려움을 보여주었다.

1997년에는 에드워드 파히와 샘 굿먼이 양자 워크^[16]를 고안했고, 1998년에는 양자 컴퓨터용 프로그래밍 언어인 QCL (Quantum Computation Language)의 구현이 공개되었다.

니시모리 히데토시가 양자 어닐링을 제안한 것도 이 시기였다.

2. 2. 2000년대 이후

2011년, 캐나다의 D-Wave Systems는 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터 "D-Wave One"을 발표했다.^[2] 2019년 구글은 슈퍼컴퓨터보다 특정 문제 해결에 있어 우월한 성능을 보이는 양자 우월성을 입증했다고 발표했다.^[85] 2022년 기준으로 IBM (IBM Quantum), Google Quantum AI, Microsoft, Intel, AWS Braket, Atos Quantum 등 수십 개의 회사가 양자 컴퓨터 관련 개발 경쟁에 참여하고 있다.^[3]

2. 3. 대한민국

2019년 11월, 삼성전자는 삼성종합기술원을 중심으로 양자 컴퓨터 연구 개발을 강화하고 해외 스타트업에 수백억 원을 투자하는 등 공격적인 행보를 보이고 있다. "기존 틀과 한계를 허물고 미래를 선점하자"는 이재용 삼성전자 부회장의 초격차 철학이 양자컴퓨터 투자에도 반영됐다는 분석이다.^[17]

2021년 9월 7일, 삼성전자는 이스라엘 양자컴퓨팅 스타트업 퀀텀 머신(Quantum Machines, QM)에 투자했다. 2019년 미국 알리로 테크놀로지스와 아이온큐 등 2곳에 투자한 뒤 양자컴퓨터 분야에서 세 번째 투자처다. 아이온큐가 하드웨어 업체라면, 퀀텀머신은 소프트웨어 업체이다.

2023년 10월, 대한민국은 양자 과학기술 및 양자 산업 육성에 관한 법률이 통과되었으며 이 법안은 공포 1년 뒤인 2024년 10월부터 본격적으로 시행될 예정이다.

3. 양자 컴퓨팅의 원리

2011년, 캐나다 기업 D-Wave Systems가 양자 어닐링 방식을 이용한 최적화 계산에 특화된 전용 컴퓨터인 "D-Wave"를 개발했다고 발표했다. 초기 모델은 128큐비트였다.^[18] D-Wave가 실제로 양자 컴퓨팅을 구현했는지에 대해서는 초기에는 의문을 제기하는 시각도 많았지만, 양자 컴퓨팅을 통해 얻은 결과라는 연구 논문이 영국 과학 저널 네이처에 발표^[19]되었고, 구글을 비롯한 벤처 기업들이 D-Wave와 협력하기 시작하면서 2018년 1월 현재는 그 가능성이 확실시되고 있다.

2012년, 세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드가 "개별 양자계에 대한 측정 및 제어를 가능하게 하는 획기적인 실험적 방법에 관한 업적"으로 노벨 물리학상을 수상했다.

에드워드 스노든의 폭로 문서에 따르면, NSA에서 암호 해독을 위한 실용화 연구가 진행되고 있다고 한다.^[20]

2014년 9월, 미국 구글은 캘리포니아 대학교 산타바바라(UCSB)의 John Martinis와 협력하여 양자 컴퓨터 독자 개발을 시작한다고 발표했다.^[21]

2016년 5월, IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터^[22]를 온라인으로 공개했고, 데이비드 코리 워털루 대학교 교수가 테스트한 결과 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.^[23] 2017년 5월, IBM은 자사의 범용 양자 컴퓨터 시스템인 IBM Q용 16큐비트 프로세서를 개발했다고 발표했다.^[24]

2019년 1월 8일, IBM은 CES에서 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터(IBM Q System One)를 개발했다고 발표했다.^[25]

2019년 10월 23일, 구글은 세계 최고 속도의 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 계산 문제를 양자 컴퓨터 Sycamore 프로세서가 3분 20초 만에 푸는 데 성공하여 양자 우월성을 세계 최초로 입증했다고 발표했으며, CEO인 순다르 피차이는 지구에서 처음 발사된 우주 로켓에 필적하는 성과라고 언급했다.^[26]^[27]

3. 1. 큐비트 (Qubit)

큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위로, 고전 컴퓨터의 비트와 달리 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩 상태를 가진다.

2011년, 캐나다 기업 D-Wave Systems가 발표한 양자컴퓨터 "D-Wave"의 초기 모델은 128큐비트였다.^[18] 2016년 5월, IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터^[22]를 온라인으로 공개했고, 2017년 5월에는 IBM Q용 16큐비트 프로세서를 개발했다고 발표했다.^[24] 2021년 11월 16일, 도쿄대학 대학원 공학계 연구과의 다케다 준타로(武田俊太郎) 준교수와 에노모토 유타로(榎本雄太郎) 조교수 등의 연구팀은 광양자 비트슬라이서 개발 성공을 발표했다.^[29]

하지만 양자 비트는 불안정하여 계산 중에 오류가 발생하기 때문에 오류를 스스로 수정하려면 막대한 양의 양자 비트가 필요하며, 이것이 실용화의 큰 과제가 되고 있다.^[31]

3. 2. 양자 게이트

양자 컴퓨터의 양자 회로에서 양자 연산에 대응하는 연산을 수행하는 기능은 양자 게이트라고 하며, 유니터리 행렬로 기술할 수 있다. 가역 계산이라는 특징도 있다. 임의의 1양자 비트에 대한 유니터리 행렬은 다음 형식으로 표현된다.

e^{i \psi}\begin{pmatrix}e^{i(-\alpha -\beta)}\cos\theta & -e^{i(-\alpha +\beta)}\sin\theta \\e^{i(\alpha -\beta)}\sin\theta & e^{i(\alpha +\beta)}\cos\theta\end{pmatrix}

이 식에서 알 수 있듯이, 양자 게이트는 본질적으로 아날로그 신호 처리이며, 아날로그 처리에 따른 오차가 문제가 되는 점이 논리 연산과 다르다. 이것이 양자 컴퓨터 구현상의 최대 문제이다.^[83]

1양자 비트에 대한 유니터리 변환과 CNOT 게이트의 조합에 의해, n양자 비트의 임의의 유니터리 변환을 구성할 수 있다는 것이 알려져 있다.(범용 양자 컴퓨팅)

고전 컴퓨터의 계산은 부울 논리에 기반한 논리 게이트에 의한 논리 연산을 기반으로 이루어진다.
대표적인 양자 게이트

게이트	설명
파울리-X 게이트 (NOT)	X>x\rangle = \|\tilde{x}\rangle
CNOT (Controlled-NOT) 게이트	C_{10}>x\rangle \|y\rangle = \|x\rangle \|y \oplus x\rangle, XOR 연산에 해당한다.
파울리-Y 게이트
파울리-Z 게이트
제곱근 NOT 게이트
제곱근 Z 게이트
아다마르 게이트	$H_2$ 는 아다마르 행렬이다.
CPhase 게이트		x\rangle & \mbox{otherwise}

토폴리 게이트

3. 3. 양자 회로

양자 회로는 양자 알고리즘을 기술하는 방법 중 하나이다. N개의 양자 비트(큐비트)를 사용하는 알고리즘의 경우, N개의 선을 그려 각 큐비트에 대한 양자 연산(초기값 설정, 양자 연산, 측정)을 시간 순서대로 왼쪽에서 오른쪽으로 기술한 그림이다.일반적으로 왼쪽 끝에는 "초기값 설정"이, 오른쪽 끝에는 큐비트의 정보를 명시적 또는 암묵적으로 읽어내는 "측정"이 수행된다. "측정"의 결과로 얻어지는 값은 0 또는 1이며, "측정"된 순간 양자 중첩 상태는 파괴되고 이후에는 읽어낸 단순한 0 또는 1의 상태가 된다.양자컴퓨터가 양자 회로로 구성되어 있다고 생각하기 쉽지만, 실제로는 다르다. 양자 게이트는 조정 없이 동작하는 논리 게이트와 달리, 동작 중에 항상 제어와 조정이 필요하기 때문에, 개별 양자 게이트에 대해 양자 칩 외부에서 제어선이 필요하다. 이 때문에 기능이 정해진 여러 양자 게이트를 직렬로 연결하려면, 양자 칩과 그것을 제어하기 위한 외부 회로 사이에 많은 제어 신호가 필요하게 되어 구현이 어렵다.실제로 만들어진 IBM이나 구글의 칩에서는, 인접한 양자 비트 사이를, 매개변수로 다양한 게이트 기능을 구현할 수 있는 소수의 게이트로 연결하고, 알고리즘의 실행에 따라 매개변수를 변화시킴으로써, 양자 회로로 표현된 알고리즘을 구현하고 있다. 이와 같이, 양자 회로는 양자 알고리즘을 기술하기 위한 것이며, 하드웨어 구조와 밀접하게 관련되는 논리 회로와는 위치가 다르다.

4. 양자 알고리즘

양자 알고리즘은 양자 컴퓨터의 특성을 활용하여 특정 문제를 효율적으로 해결하는 알고리즘이다.1992년 도이치와 리처드 조사는 도이치-조사 알고리즘을 고안하여 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 특정 문제를 더 빠르게 풀 수 있음을 보였다.^[9] 1993년 우메시 바지라니와 이선 번스타인은 양자 튜링 머신과 양자 푸리에 변환 알고리즘을 고안했다.^[10]1994년 피터 쇼어는 쇼어 알고리즘^[33]을 고안하여 소인수분해 문제를 효율적으로 해결함으로써 RSA 암호 체계에 위협을 가할 수 있음을 시사했다. 1996년 로브 그로버는 그로버 알고리즘^[35]을 고안하여 정렬되지 않은 데이터베이스에서 특정 데이터를 빠르게 검색하는 방법을 제시했다. 1998년 니시모리 히데토시는 양자 어닐링(양자 어닐링법)을 제안하여 조합 최적화 문제 해결에 기여했다.^[9]

4. 1. 쇼어 알고리즘 (Shor's Algorithm)

쇼어 알고리즘(Shor's factorization)은 소인수분해 문제를 빠르게 (다항식 시간에) 풀 수 있는 알고리즘이다. 현재로서는 고전 컴퓨터에서는 비현실적인 시간(분해하려는 정수의 자릿수에 대한 준지수 시간)에 푸는 알고리즘만 알려져 있다. 1994년 피터 쇼어에 의해 발견되었으며^[33]^[34], 쇼어는 이 업적으로 네반린나 상과 괴델 상을 수상했다.쇼어 알고리즘은 RSA 암호 체계의 안전성을 위협할 수 있다. RSA 암호는 소인수분해의 어려움을 기반으로 하는데, 쇼어 알고리즘은 양자 컴퓨터를 이용하여 소인수분해를 효율적으로 할 수 있기 때문이다.2001년 12월 IBM 알마덴 연구소에서 7 큐비트의 양자 컴퓨터로 15 (= 3×5)의 소인수분해에 성공했다(Nature, 12월 20일 발행호^[39]). 알고리즘을 약간 변경하면 이산 로그 문제(DLP, 엘가말 암호나 타원 곡선 암호의 안전성의 근거)도 다항식 시간에 풀 수 있다. 이 알고리즘의 기본적인 아이디어를 확장한 것이 가환 은닉 부분군 문제에 대한 양자 알고리즘이다. 현재는 이것을 더욱 비가환 은닉 부분군 문제로 확장하는 연구가 진행되고 있다.쇼어 알고리즘은 양자 컴퓨터가 이산 푸리에 변환을 고속으로 실행할 수 있다는 것을 이용한다. 또한, 알고리즘 전체는 확률적 (BQP)이므로, 정답을 얻을 때까지 여러 번 시행할 필요가 있다.정수 ''N''을 소인수분해하는 데 있어, ''a''는 ''N''에 대해 서로소인 정수로서, ''a''의 mod ''N''에 관한 위수, min{''x'' > 0|''a^x'' ≡ 1 (mod N)}를 구한다. 즉, ''a^x''의 주기 ''r''을 구한다. 이 위수를 빠르게 구할 수 있다면, 인수분해는 고속으로 할 수 있다.예를 들어, ''N'' = 15, ''a'' = 7이라고 하자.:7⁰ ≡ 1 (mod 15):7¹ ≡ 7 (mod 15):7² ≡ 4 (mod 15):7³ ≡ 13 (mod 15):7⁴ ≡ 1 (mod 15):7⁵ ≡ 7 (mod 15):7⁶ ≡ 4 (mod 15):7⁷ ≡ 13 (mod 15):7⁸ ≡ 1 (mod 15):7⁹ ≡ 7 (mod 15):⋮1, 7, 4, 13, 1, 7, 4, 13, 1, 7,…이라는 주기 4의 수열이 생성된다. 따라서, 주기 ''r'' = min{''x'' > 0|7^''x'' ≡ 1 (mod 15)} = 4절차의 개요는 다음 두 가지이다.# 모든 ''x''에 대해, 균등한 확률이 되도록 초기화한다. 그리고, 그것을 ''a^x'' mod ''N''만 확률을 가지고, 그것들이 균등하게 되도록 변환한다. 이 계산은 양자 컴퓨터적이지만, 기본적인 생각은 고전 컴퓨터와 같다. 그러기 위해, 2진수의 덧셈·뺄셈이나, 비트에 의한 조건 분기 등을 준비한다.# ''a^x'' mod ''N''은 주기 ''r''을 갖는다. 이 주기가 구하는 위수이다. 따라서, 1에서 얻은 결과를 이산 푸리에 변환한다. 그러면, 주파수 1/''r''의 곳의 확률이 커지므로, 관측하면, 높은 확률로 ''r''을 얻는다. 실패한 경우는, 성공할 때까지 반복한다.2012년 브리스틀 대학교가 21(=3×7)의 소인수분해를 수행하여 기록을 갱신했지만,^[86] 21을 초과하는 수의 소인수분해에 성공했다는 보고는 없다(2019년 9월 현재).

4. 2. 그로버 알고리즘 (Grover's Algorithm)

1996년 로브 그로버(Lov Grover)는 정렬되지 않은 데이터베이스에서 특정 데이터를 빠르게 검색할 수 있는 그로버 알고리즘^[35]을 고안했으며, 이 알고리즘은 이후 다양한 알고리즘에 응용되고 있다.

4. 3. 양자 어닐링 (Quantum Annealing)

니시모리 히데토시에 의해 1998년에 양자 어닐링이 제안되었다.^[9] 양자 어닐링은 조합 최적화 문제 해결에 특화된 양자 알고리즘으로, D-Wave Systems의 양자 컴퓨터에 사용되는 것으로 알려져 있다.

5. 양자 컴퓨팅의 구현 방식

양자 컴퓨터의 하드웨어는 수학적으로 동등한 양자 게이트를 물리적으로 구현하기 위해 핵자기 공명, 양자 광학, 양자점, 초전도 소자, 레이저 냉각 등 다양한 실험적 방식을 사용한다.2011년, 캐나다 기업 D-Wave Systems는 양자 어닐링 방식을 이용한 최적화 계산에 특화된 전용 컴퓨터 "D-Wave"를 개발했다고 발표했다. 초기 모델은 128큐비트였다.^[18] 초기에는 D-Wave가 실제로 양자 컴퓨팅을 구현했는지에 대한 의문이 제기되기도 했지만, 네이처에 양자 컴퓨팅을 통해 얻은 결과라는 연구 논문이 발표^[19]되고 구글 등 여러 기업들이 D-Wave와 협력하면서 2018년 1월 현재는 그 가능성이 확실시되고 있다.2012년, 세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드는 "개별 양자계에 대한 측정 및 제어를 가능하게 하는 획기적인 실험적 방법에 관한 업적"으로 노벨 물리학상을 수상했다.에드워드 스노든의 폭로 문서에 따르면, NSA에서 암호 해독을 위한 실용화 연구가 진행되고 있다고 한다.^[20]2014년 9월, 구글은 캘리포니아 대학교 산타바바라(UCSB)의 John Martinis와 협력하여 양자 컴퓨터 독자 개발을 시작한다고 발표했다.^[21]2016년 5월, IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터^[22]를 온라인으로 공개했다. 워털루 대학교의 데이비드 코리 교수가 테스트한 결과, 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다.^[23] 2017년 5월, IBM은 자사의 범용 양자 컴퓨터 시스템인 IBM Q용 16큐비트 프로세서를 개발했다고 발표했다.^[24]2019년 1월 8일, IBM은 CES에서 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터(IBM Q System One)를 개발했다고 발표했다.^[25]2019년 10월 23일, 구글은 세계 최고 속도의 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 계산 문제를 양자 컴퓨터 Sycamore 프로세서가 3분 20초 만에 푸는 데 성공하여 양자 우월성을 세계 최초로 입증했다고 발표했다. 순다르 피차이 구글 CEO는 이 성과를 지구에서 처음 발사된 우주 로켓에 필적하는 성과라고 언급했다.^[26]^[27]

5. 1. 초전도 방식

초전도 방식은 초전도 회로를 이용하여 큐비트를 구현하는 방식으로, IBM, 구글, 인텔 등이 채택하고 있다.

5. 2. 이온 트랩 방식

이온 트랩을 이용하는 양자 컴퓨터에서는 레이저 냉각을 통해 이온을 포획하고 조작한다.^[82]

5. 3. 광자 방식

광자를 이용하는 방식은 '''광자 컴퓨터''', '''광양자 컴퓨터'''라고도 불린다. 2001년, 비선형 광학을 사용하지 않고 양자 컴퓨터를 만드는 방법이 고안되었다.^[51] 이를 선형 광양자 컴퓨터 (linear optical quantum computer|리니어 옵티컬 퀀텀 컴퓨터^영어, LOQC)라고 부르며, 이후 광양자 컴퓨터의 주류가 된다.2007년, 광자를 사용하여 4큐비트 양자 컴퓨터에 의한 소인수분해가 구현되었다.^[52] 2009년에는 광집적회로(실리콘 포토닉스) 상에서 4큐비트 양자 컴퓨터에 의한 소인수분해가 구현되었다.^[53]2017년 9월, 도쿄대학 공학계 연구과의 후루사와 아키라(古澤明) 교수와 타케다 준타로(武田俊太郎) 조교는 대규모 광양자 컴퓨터 구현법을 발명했다고 발표했다.^[54]2020년, 중국의 구장(九章)이 광자를 이용한 컴퓨터에서 양자 우월성을 세계 최초로 구현하여 세계적으로 화제가 되었다.^[55]주요 연구 기관으로는 도쿄대학^[56]과 도쿄이과대학^[57]이 있다.

5. 4. 기타 방식

핵자기 공명(NMR)과 전자스핀공명을 이용한 양자 컴퓨터 연구 개발이 진행되고 있다.^[39]^[40]^[41]^[42]^[43] 1998년 2양자비트를 시작으로, 1999년 3양자비트, 2000년 5양자비트, 2001년 7양자비트, 2005년 8양자비트, 2006년에는 12양자비트까지 구현되었다. 양자비트가 하나씩 증가할 때마다 병렬도는 2배가 된다.이 외에도 양자점, 초전도 소자, 레이저 냉각 등 다양한 방식을 통해 양자 게이트를 물리적으로 구현하는 실험적 하드웨어 연구가 활발히 진행 중이다.

6. 양자 컴퓨팅과 계산 복잡도 이론

양자 컴퓨터의 능력에 대해 현재 알려진 수학적인 결과는 계산 복잡도 이론과 계산 이론에서 나온 것이다.양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 빠를 수는 있지만, 기존 컴퓨터로 풀 수 없는 문제는 양자 컴퓨터 역시 풀 수 없다. 충분한 시간과 메모리가 주어져도 마찬가지이다. 튜링 기계가 양자 컴퓨터를 시뮬레이트할 수 있기 때문에 양자 컴퓨터가 정지 문제 같은 결정 불가능 문제를 풀 수는 없다. '표준' 양자 컴퓨터의 존재가 처치-튜링 명제를 반증하지는 않는다.^[99]최근에는 양자 역학을 하이퍼 계산에 사용하여 결정 불가능 문제를 풀 수 있는지에 대한 연구가 진행되고 있지만, 회의적인 시각이 많다.바지라니(Vazirani) 등은 양자 튜링 머신과 고전 튜링 머신의 계산 가능성이 동등함을 보였다. 따라서 계산 가능성의 관점에서 양자 튜링 머신은 기존의 컴퓨터와 다르지 않다. 즉, 양자 튜링 머신으로 "계산 가능한" 문제는 고전 튜링 머신에서도 "계산 가능"하며, 고전 튜링 머신으로 "계산 가능하지 않은" 문제는 양자 튜링 머신에서도 "계산 가능하지 않다". 여기서 "계산 가능하다"는 것은 계산 이론의 전문 용어이며, 유한한 시간 안에 계산이 종료되어 답을 얻을 수 있다는 의미이다.계산 복잡도 이론에서 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 더 강력한 계산 속도를 가질 수 있다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터를 쉽게 에뮬레이트할 수 있으므로, 고전 컴퓨터로 빠르게 풀 수 있는 문제(범용 문제)는 양자 컴퓨터에서도 동등하거나 그 이상으로 빠르게 풀 수 있다.양자 컴퓨터의 연산자는 벡터에 특정한 행렬을 곱해서 바꾸는 것으로 생각할 수 있다. 행렬을 곱하는 연산은 선형 연산이다. 대니얼 S. 에이브럼스와 세트 로이드는 양자 컴퓨터가 '비선형'을 계산할 수 있다면 NP-완전 문제를 다항 시간에 풀 수 있음을 보였다. #P-완전 문제 역시 가능하다. 그러나 그러한 기계는 불가능하다고 보았다.

6. 1. BQP (Bounded-error Quantum Polynomial time)

양자 컴퓨터가 효율적으로 풀 수 있는 문제군을 '''BQP'''라 한다. 여기서 효율적이란, '정해진 오차범위 내에서 다항 시간 안에' 푼다는 뜻이다. 양자 컴퓨터는 확률적 알고리즘을 실행하므로 양자 컴퓨터에 대한 BQP는 기존 컴퓨터에 대한 '''BPP'''에 대응한다. BPP는 오차 확률을 1/4로 제한하며 다항 시간에 풀 수 있는 문제의 집합으로 정의된다.^[98] 양자 컴퓨터가 문제를 "푼다"는 것은 모든 예제에 대해 높은 확률로 올바른 결과가 나온다는 뜻이다. 그 결과가 다항 시간에 나왔다면 그 문제는 BQP에 속한다.BQP는 NP-완전과 서로소 집합이고, '''P'''가 BQP의 진부분집합일 것으로 추정되나 아직 증명되지는 않았다. 소인수 분해와 이산 로그 문제가 BQP에 속한다. 두 문제 모두 NP문제이고, BPP가 아닐 것으로 추정되므로 P에도 속하지 않는다. 또한 NP-완전도 아닐 것으로 추정된다. 양자 컴퓨터가 NP-완전 문제를 다항 시간에 풀 수 있다는 잘못된 인식이 널리 퍼져 있으나 확실히 증명된 바는 없다. 양자 컴퓨터도 NP-완전 문제는 다항 시간에 풀 수 없다는 견해가 일반적이다.양자 컴퓨터와 관련된 복잡도 클래스에 BQP가 있으며, BQP는 P를 포함한다. BQP와 NP의 관계는 명확하지 않지만, BQP와 NP는 포함 관계에 있지 않을 것이라고 생각된다.

6. 2. 양자 우월성 (Quantum Supremacy)

양자 우월성은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 현실적인 시간 안에 해결하기 어려운 문제를 해결할 수 있음을 의미한다. 2019년 10월 23일, 구글은 무작위 양자 회로의 출력 결과를 추정하는 문제에서 양자 우월성을 입증했다고 발표했다.^[85] 이러한 양자 우월성 문제의 탐색은 계속되고 있다.

7. 양자 컴퓨터 개발 현황

1959년 미국의 물리학자 리처드 파인만이 양자역학의 메커니즘을 계산에 도입하였고, 1980년 아르곤 국립 연구소의 폴 베니오프(Paul Benioff)가 이론적으로 양자 컴퓨터(튜링 머신) 개발이 가능하다고 밝혔다. 2011년 캐나다의 D-Wave Systems는 양자 어닐링을 이용한 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터 "D-Wave One"을 발표했다. 2019년 IBM Quantum은 양자 하드웨어 "IBM Q System One"을 발표했으며^[2]^[4], 수천 명의 개발자가 이용할 수 있다.^[2] IBM Quantum은 양자 프로세서를 정기적으로 배포하고 있다.^[2]양자 계산을 "양자 게이트"를 사용하여 수행하는 방식에 대한 연구가 현재 가장 활발하지만, 다른 방식에 대한 연구 개발도 진행되고 있다.미래에 양자 컴퓨터 판매가 이루어진다면, 초기 발전 단계에서 양자 컴퓨터의 중요한 특허를 많이 취득한 회사가 막대한 수익과 이익을 올릴 것으로 예상되며, 뒤처진 쪽은 특허를 보유한 쪽에 막대한 특허 사용료를 지불하거나 경쟁에서 패배하여 회사가 쇠퇴할 가능성도 있다.

연도	개발 주체	프로세서	큐비트	비고
2019년	구글	시커모어 프로세서	53	양자우월성 세계 최초 달성
2020년	IBM	허밍버드 프로세서	65
2021년 10월	중국과학기술대 판젠웨이(潘建偉) 원사	쭈충즈(祖沖之) 2.1	66	중국 최초의 양자우월성, 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다 1천만 배 빠름
2021년 11월	IBM	이글 프로세서	127
2022년	IBM	오스프리 프로세서	433
2024년	IBM	콘도르 프로세서	1121
2024년	대한민국	한국형 양자컴퓨팅 시스템(KQIP)	50
2030년	대한민국	??? 프로세서	100

7. 1. 글로벌 기업

2022년 기준으로, 양자 컴퓨터 관련 개발 경쟁에는 여러 회사들이 참여하고 있으며, 주요 기업으로는 IBM (IBM Quantum), Google Quantum AI, Microsoft, Intel, AWS Braket, Atos Quantum 등이 있다.^[3]IBM은 양자컴퓨터 25대를 보유 중이며 초전도체 방식에서 가장 앞서나가고 있는 기업이다.^[3] 2021년 11월 14일, 아빈드 크리슈나 IBM 최고경영자(CEO)는 미국 인터넷 매체 악시오스(Axios on HBO)에서 새로 개발한 이글 프로세서는 127큐비트(qubit :양자컴퓨터 연산단위)를 처리할 수 있다며 100큐비트 이상 성능으로 기존 컴퓨터를 능가하는 새 이정표에 도달했다고 말했다. IBM은 현재 65큐비트 양자컴퓨터 허밍버드를 운용 중이다. 이들은 2021년 127큐비트 이글에 이어, 2022년 433큐비트 오스프리, 2024년 1121큐비트 콘도르를 개발하겠다고 예고한 바 있다.^[3]구글은 2019년 세계 최초로 슈퍼컴퓨터조차 풀기 어려운 문제를 자사의 53-큐비트 시커모어 양자프로세서를 이용해 해결했다. 2019년 10월 구글은 53큐비트 기반 양자 컴퓨터를 개발해 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 계산을 3분 20초 만에 풀 수 있다고 밝혔다.^[3]아이온큐는 양자 스타트업 가운데 가장 현금이 많은 기업이며, 꾸준히 매출이 성장하는 기업 중 하나이다. 아이온큐의 파트너십 기업은 현대자동차, 유럽 항공서비스 기업 AIRBUS, 미국 OAK 국립연구소 등이 있다. 특히 유럽의 AIRBUS는 연료절감과 매출에 매우 민감한 부분인 항공기 적재업무에 IonQ의 양자컴퓨터를 이용하였다. 항공기의 기종도 천차만별이고 적재 화물을 비행기 하중 무게를 모두 완벽하게 맞추면서 넣어야하며 화물의 크기도 모두 다르다. 이러한 문제가 단 하나만 늘어나도 복잡성은 기하급수적으로 늘어나며, 고전컴퓨터로는 힘든, 한번에 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있는 양자컴퓨터가 필수적인 것이다. 실제로 AIRBUS는 아이온큐의 2023년 최신모델인 29AQ를 이용해 운용 효율성 증가, 연료 절감과 노동력 절감을 이루어냈다고 발표했다.

7. 2. 스타트업

아이온큐(IonQ)는 양자 컴퓨터 분야의 스타트업으로, 2021년 뉴욕 증시에 상장하여 해당 분야의 선두 주자로 자리매김하고 있다.^[100] 2015년 양자 컴퓨터 분야 권위자인 김정상 듀크 대학교 교수와 크리스토퍼 먼로 메릴랜드 대학교 교수가 설립했으며, 아마존 엔지니어링 임원 출신인 피터 채프먼이 CEO를 맡고 있다.^[4]아이온큐는 이온 트랩 방식을 사용하며, 2023년에는 스위스 퀀텀바셀에 35AQ, 64AQ 양자컴퓨터 각각 한 대와 미공군연구소(AFRL)에 64AQ 양자컴퓨터 두 대를 판매했다. 또한, 미국 시애틀에 양자 제조 시설을 오픈하여 연구 단계에서 제조 단계로 진입한 세계 최초의 양자 기업이 되었다.아이온큐는 2023년 9월 QWC(Quantum World Congress)에서 2024년과 2025년 목표였던 35AQ와 64AQ를 발표했으며, 이 양자컴퓨터들의 선주문을 받고 있다. 64AQ는 1800경 개의 계산을 동시에 처리할 수 있어 현존하는 슈퍼컴퓨터보다 압도적인 성능을 자랑한다. 피터 채프먼 CEO는 "64AQ가 도달되는 2025년 ChatGPT 모멘트가 올 것"이라고 예상했다.아이온큐의 파트너십 기업으로는 현대자동차, 유럽 항공서비스 기업 AIRBUS, 미국 OAK 국립연구소 등이 있다. 현대자동차는 이미지 프로세싱을 위한 퀀텀 머신러닝(자율주행 표지판 인지), AIRBUS는 화물 적재 최적화, OAK 국립연구소는 분자 구조 모델링 시뮬레이션(신약 개발을 위한 화학 반응 시뮬레이션)에 아이온큐의 기술을 활용하고 있다. 특히 AIRBUS는 2023년 최신 모델인 29AQ를 이용해 운용 효율성 증가, 연료 절감, 노동력 절감을 이루어냈다고 발표했다.2019년, 삼성전자는 아이온큐에 650억원을 투자했다. 2021년에는 삼성전자와 현대차가 투자한 아이온큐가 미국 메릴랜드 대학교에 양자컴퓨팅 실습 연구소를 설립하기도 했다.D-Wave Systems는 2011년 세계 최초의 상용 양자 컴퓨터 D-Wave One을 출시했다.^[100] D-Wave One은 양자 어닐링^[101]이라는 특정 양자 알고리즘에 특화된 하드웨어를 갖춘 특화된 양자컴퓨터이다. 2013년 NASA와 구글은 공동으로 설립할 인공지능 연구소에서 D-Wave 2를 구매할 계획이라고 밝혔다.^[102] D-Wave 2는 머신러닝, 음성 인식, 자연어 처리에 활용될 수 있으며, 싱글코어 칩을 사용하는 일반 컴퓨터보다 1억 배 이상 빠른 속도로 데이터를 처리할 수 있다고 알려졌다.Rigetti Computing과 PsiQuantum 등의 다른 양자 컴퓨팅 스타트업들도 기술 혁신을 이끌고 있다.

7. 3. 대한민국

한국은 양자 기술 선진국인 미국, 중국, 유럽, 일본에 비해 뒤처진 수준이다.^[3] 2023년 10월에 양자 과학기술 및 양자 산업 육성에 관한 법률이 통과되었으며, 이 법안은 2024년 10월부터 시행될 예정이다.삼성전자는 삼성종합기술원을 중심으로 양자컴퓨터 연구개발을 강화하고 있으며, 2019년에는 양자컴퓨터 스타트업 아이온큐에 650억원을 투자했다.^[3] 현대자동차도 아이온큐에 투자하여, 자율주행을 위한 이미지 프로세싱 분야에서 퀀텀 머신 러닝 기술 협력을 진행하고 있다.^[3] 아이온큐는 김정상 듀크대 교수와 크리스토퍼 먼로 메릴랜드 대학교 교수가 2015년에 설립한 회사로, 양자컴퓨터 분야의 권위자들이다.2021년 9월, 삼성전자와 현대차가 투자한 아이온큐는 미국 메릴랜드 대학교에 양자컴퓨팅 실습 연구소를 설립했다.한국 정부는 2024년까지 50큐비트(qubit·양자컴퓨터 연산 단위)급 한국형 양자컴퓨팅 시스템(KQIP) 개발을 목표로 하고 있으며, 2030년까지 100큐비트급 시스템 개발을 추진할 계획이다. 하지만, 일본은 NTT를 중심으로 양자컴퓨터 개발을 추진하고 있는 반면, 한국은 어느 기관이 주도적으로 개발 중인지 불명확하다.

8. 양자 컴퓨팅의 응용 분야

양자 컴퓨팅은 여러 분야에 혁신적인 변화를 가져올 것으로 기대된다. 주요 응용 분야는 다음과 같다.

신약 개발 및 재료 과학: 아이온큐는 OAK 국립연구소와 협력하여 분자 구조 모델링 시뮬레이션을 통해 신약 개발을 위한 화학 반응 시뮬레이션을 연구하고 있다.^[1]
금융 모델링: 금융 시장의 복잡한 패턴을 분석하고 예측하는 데 활용될 수 있다.
인공지능: 현대자동차는 아이온큐와 협력하여 이미지 프로세싱을 위한 퀀텀 머신러닝(자율 주행을 위한 표지판 인식)을 연구하여 자율주행 기술 개발에 활용하고 있다.^[1]
암호 해독: 기존 암호 체계를 해독하고 새로운 보안 시스템을 구축하는 데 사용될 수 있다.
항공 분야: 에어버스는 아이온큐의 양자컴퓨터를 이용하여 항공기 적재 업무를 최적화하여 운영 효율성 증가, 연료 절감, 노동력 절감을 이루어 냈다.^[1]

특히, 에어버스는 항공기 적재 최적화에 양자 컴퓨팅을 적용하여, 다양한 기종과 화물 크기, 무게 등의 제약 조건 속에서 최적의 적재 방법을 찾아내고 있다.^[1] 이는 기존 컴퓨터로는 해결하기 어려운 복잡한 문제로, 양자 컴퓨터의 병렬 처리 능력이 필수적이다.^[1]

9. 비판적 시각 및 윤리적 문제

구글이 2019년에 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 연산을 200초 만에 처리하는 53큐비트(양자 컴퓨터의 연산 단위) 시카모어 프로세서를 선보이면서, 현존 최고 성능의 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자우월성 시대가 열렸다.^[35]^[36] 하지만 이는 기존 암호화 방식에 대한 심각한 위협이 될 수 있다.딥와치의 마리사 리스 우드 부사장에 따르면, 현재 널리 사용되는 RSA 암호화 알고리즘은 2,048비트 디지털 키로 보호되는데, 기존 컴퓨터로는 해독에 300조 년이 걸리지만, 4,099큐비트 양자 컴퓨터는 단 10초 만에 해독할 수 있다고 한다. 라이트코인 재단 공동 창업자 왕 신시는 54큐비트 양자 컴퓨터가 비트코인 암호화를 풀려면 수백만 비트가 필요하며, 큐비트 수가 매년 두 배로 증가한다고 가정할 때 비트코인을 해독하는 데 약 15년이 걸릴 것이라고 예측했다.표준과학연구원 정연욱 박사는 큐비트 수가 50개를 넘으면 양자 컴퓨터의 능력이 현재 최고 성능 슈퍼컴퓨터의 메모리 수준에 도달하며, 60개가 되면 슈퍼컴퓨터보다 성능이 1,000배 이상 커진다고 설명했다.이러한 양자 컴퓨터의 발전은 기존 암호 체계에 대한 심각한 위협이 되므로, 양자내성암호(Post-Quantum Cryptography) 기술 개발이 시급하다.한편, 1996년 로브 그로버(Lov Grover)가 발표한 그로버 알고리즘은 n개의 데이터 중 특정 데이터를

\sqrt{n}

단계로 찾을 수 있는 알고리즘이다.^[35]^[36] 이는 확률적 알고리즘이나 양자 알고리즘과 결합하여 계산 시간을 제곱근까지 줄일 수 있어, 광범위한 응용이 가능하다는 특징이 있다.

양자 컴퓨터의 양자 회로에서 양자 연산을 수행하는 기능은 양자 게이트라고 불리며, 유니터리 행렬로 표현된다.^[83] 이는 가역 계산의 특징을 가지며, 1양자 비트에 대한 유니터리 변환과 CNOT 게이트의 조합으로 n양자 비트의 임의 유니터리 변환을 구성할 수 있다.(범용 양자 컴퓨팅) 그러나 양자 게이트는 본질적으로 아날로그 신호 처리이므로, 오차 문제가 발생할 수 있다는 점이 양자 컴퓨터 구현의 주요 난제로 꼽힌다.

10. 같이 보기

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