■ 한국, 양자 컴퓨터 4대 개발 강국 진입이 목표!

 

 

● 양자 컴퓨터는 ★ 초전도 큐비트 ★ 이온 트랩 ★ 반도체 양자점 (스핀 큐비트) ★ 위상 수학 방식 ★ 다이아몬드 고체 방식 ★ 빛 광자 기반 등 6가지로 크게 나뉜다. ◉ 구글. IBM. 한국표준과학연구원은 초전도 큐비트, ◉ 삼성종합기술원은 이온 트랩 방식 양자 컴퓨터를 개발 중이다. ◉ 인텔. 서울대학교는 반도체 양자점, ◉ 마이크로소프트(MS)는 위상 수학 방식으로 개발하고 있다. ◉ 한국과학기술연구원(KIST)은 다이아몬드 고체 방식과 빛 광자를 동시에 이용하고 있다.

 

■ 한국, 양자 컴퓨터 4대 개발 강국 진입이 목표!

 

● 한국은 2030년 양자 기술 4대 강국 진입이 목표이다.

 

● 기존 컴퓨터는 전구로 신호를 보내는 것을 예로 들면 불을 켜고 끄는 두 가지 상태 값만 있다. 쉽고 간편하게 정보를 전달할 수 있지만, 한 번에 하나의 정보만 전달한다. 의미 있는 특정 정보를 전달하려면 모스 부호 같은 규칙에 맞춰 전구를 깜박여야 한다. ★ 양자 컴퓨터는 밝기를 조절할 수 있는 전구라 더 많은 상태 값을 만들 수 있어서, 다양하고 복잡한 정보를 동시에 전달할 수 있다. 기존 컴퓨터로 10억년이 걸리는 계산식을 양자 컴퓨터는 100초 내 끝낼 수 있다. 단순히 현재 성능을 뛰어넘는 것은 물론 기존에는 상상할 수 없었던 일을 실현시킬 수 있기에 양자 컴퓨터가 필요하다

 

● 양자 컴퓨터 개념은 천재 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)에 의해 이미 1980년대 초에 구상됐다. 2014년 구글이 이 분야에 뛰어들고, 2016년 IBM이 첫 클라우드 기반 양자컴퓨팅 플랫폼 ‘IBM 퀀텀 네트워크’를 내놓으면서 본격화됐다. 2019년 구글(Google)은 53큐비트의 양자 컴퓨터 ‘시커모어’(Sycomore)를 공개하며, 현존 최고 성능 슈퍼컴퓨터를 압도하는 연산 속도를 가능케 하는 이른바 ‘양자 우위’(Quantum supremacy)를 처음 입증했다. 양자 컴퓨터에 유리한 측면이 있는 수학 문제이긴 했지만 슈퍼컴퓨터로 1만년 이상 걸리는 것을 양자 컴퓨터로 3분20초 만에 풀었다. 이 사건은 양자 컴퓨터에 조명이 쏟아지는 계기가 됐다. ★ 양자 컴퓨터에 대한 오해 중 하나가 기존 고전 컴퓨터를 대체한다는 것이다. 그렇지 않다. 고전 컴퓨터가 못하는 문제를 풀 수 있는 기계이다. 마치 현재의 GPU(그래픽처리장치)와 같은 역할을 맡는다고 볼 수 있다. 양자 컴퓨터로도 모든 문제를 풀 수는 있겠지만, 비용이 많게는 수천배 들어서 효율적이지 않기 때문이다.

 

● 신약. 신소재 개발에 있어 복잡한 분자 구조는 많은 경우의 수를 가져 기존 컴퓨터로는 사실상 계산이 불가하다. 양자 컴퓨터는 단백질 3차원 구조 분석 등에 최적화된 알고리즘으로 이를 풀어낼 수 있다. AI 학습을 위한 전력·시간도 줄어든다. AI에 특화된 양자 알고리즘으로 고속 연산이 이뤄지면서 소모 전력은 슈퍼컴퓨터의 600분의 1수준이다. 기존 컴퓨터에 많은 부하를 안기는 시뮬레이션(모의 실험)이나 암호 해독, 교통. 금융 서비스 등 최적화도 양자 컴퓨터가 활약할 무대이다. ★ 미국은 2018년 말에 세계 최초로 ‘양자법’을 제정하고, 백악관 직속 국가양자조정실(NQCO)을 신설했다. 2020년 06월 표준기술연구소(NIST) 주도로 양자경제개발연합체(QED-C)를 구성했고, 140여개 이상의 기업이 참여했다. 한국은 2021년 04월 ‘양자 기술 연구 개발 투자 전략’을 발표했고, 과기정통부는 ‘2030년 양자 기술 4대 강국 진입’을 목표로 하고 있다.

 

● 양자 컴퓨터는 ★ 초전도 큐비트 ★ 이온 트랩 ★ 반도체 양자점 (스핀 큐비트) ★ 위상 수학 방식 ★ 고체 결함 ★ 광자 기반 등 6가지로 크게 나뉜다. ◉ 구글. IBM. 한국표준과학연구원은 초전도 큐비트, ◉ 삼성종합기술원은 이온 트랩 방식 양자 컴퓨터를 개발 중이다. ◉ 인텔. 서울대학교는 반도체 양자점, ◉ 마이크로소프트(MS)는 위상 수학 방식으로 개발하고 있다. ◉ 한국과학기술연구원(KIST)은 다이아몬드 고체 방식과 빛 광자를 동시에 이용하고 있다.

 

● 한국은 뒤늦게 글로벌 양자 전쟁에 뛰어들었다. 5큐비트 양자 컴퓨터 개발 프로젝트가 순항하고 있고, 민.관.학 협력 구도가 만들어지면서 기본적인 씨앗은 뿌려졌다. ★ 삼성전자는 2017년부터 IBM 퀀텀(Q) 네트워크 파트너로 양자 컴퓨터 활용 사례를 만들고 있고, 김정상 듀크대 교수가 창업한 아이온큐에 현대자동차와 함께 투자하기도 했다. ★ 이동통신 3사는 양자 보안 기술에서 두각을 나타내고 있다. 특히 세계 1위 양자 암호 통신 기업 IDQ를 인수한 SK텔레콤은 국내에서 가장 많은 관련 특허를 보유하고 있다. 국책연구기관 중에서는 한국표준과학연구원과 한국과학기술원(KIST), 국가보안기술연구소, 한국전자통신연구원(ETRI) 등이 연구를 주도하고 있다.

 

대학 중에서는 서울대와 카이스트, 성균관대가 돋보인다. ★ 서울대는 양자 기술 관련 전공 교수 30명이 모여 양자과학 기술포럼을 만들고 양자 연구와 생태계 저변 확대에 나섰다. ★ 카이스트(KAIST)는 2018년부터 국내 최초 양자 컴퓨팅 특화 연구센터 '인공지능 양자 컴퓨팅 ITRC'를 설립했고, 국내 대학 중 가장 많은 양자 컴퓨팅 전공 교수(10명)를 확보했다. ★ 성균관대학은 향후 10년 발전 전략 주력 분야로 바이오와 인공지능(AI), 양자 기술을 내걸고 전폭적인 지원을 하고 있다. 이 대학 양자정보 연구지원 센터는 국내 최초로 IBM Q 네트워크에 가입하여 양자 정보과학 생태계를 지원하는 역할을 맡았다. 성균관대학에서는 IBM 프리미엄 65큐비트 양자 컴퓨터를 사용할 수 있다. ★ 정부는 2021년 04월 열린 과학기술 관계장관 회의에서 '2030년 양자 기술 4대 강국 진입'을 목표로 50큐비트급 한국형 양자 컴퓨팅 시스템을 2024년까지 조기 구축하겠다는 계획을 공개했다. 인사이드 퀀텀 테크놀로지에 따르면, 글로벌 양자컴퓨팅 시장은 2025년 7억 8000만 달러에서 2029년에는 26억 달러까지 성장할 것으로 전망된다.

 

● 한국은 2021년 양자 기술과 양자 산업 역량을 제고하기 위해 양자 기술 개발 컨트롤타워 '양자 특별위원회'를 발족했다. 기술 개발 로드맵, 정부·민간 역할 분담 등 전략을 수립하고, 민·관 역량을 결집하여 양자 산업 선도국이 되는 것이 목표이다. 과학기술정보통신부. 산업통상자원부. 중소벤처기업부 등 7개 안팎의 부처와 민간 기업 전문가 중심으로 구성될 계획이다. 특위 구성. 운영 관련 실무는 과학기술혁신본부가 맡는다. '양자 특별위원회'는 사실상 범부처 양자 산업 관련 컨트롤타워이다. 양자 컴퓨터, 양자 암호 통신 등 핵심 분야의 기술 개발 로드맵을 수립하고, 세부 투자 방향과 연계하고, 민.관 역할 분담 전략 등을 수립한다. 정부가 전략적으로 주목하는 분야는 양자 컴퓨터이다. 양자 컴퓨터 기술 개발에 성공하면, 파급력이 가장 크기 때문에 세계 각국이 전략 기술로 지정하고 투자하고 있다.

 

■ 양자 컴퓨터, 한국 IBM, 한국에 설치 운영 추진

 

● 2021년 IBM은 24시간 안정적으로 구동되는 23개의 양자 컴퓨터를 보유하고 있는데, 2016년부터 IBM은 클라우드 방식의 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하고 있다. ● 양자컴퓨팅 기술 확보가 국가 간 대결 양상을 띠면서 핵심 기술은 미국 밖으로 나가지 못하고, 중국은 정보가 거의 없을 정도로 베일에 싸여 있다. 세계는 지금 양자컴퓨터 직접 개발은 물론 양자 알고리즘, 양자 애플리케이션 개발까지 양자 관련 지식재산권 확보에 열을 올리고 있다. 한국도 빨리 경쟁에 뛰어들어야 한다. ● 1,000큐비트 이상의 양자 컴퓨터 시대가 도래하면, 일반 컴퓨터를 능가하는 소위 '퀀텀 어드밴티지 (양자 우위)'를 점할 수 있다. 그렇게 되면, 대학 연구는 물론 산업 생태계 전체가 엄청나게 발전하게 된다. 실험실 연구나 애플리케이션 개발 단계를 넘어 실제 컴퓨터처럼 쓰게 되는 셈이다.

 

● 만약, 구글과 IBM이 정말 1,000큐비트 이상의 양자 컴퓨터 개발로 인해서, '퀀텀 어드밴티지 (양자 우위)'에 도달했다 하더라도 한계는 남는다. 우선, 범용 컴퓨터는 아니다. 특수 목적의 양자 컴퓨터로는 아주 제한된 성능밖에 발휘할 수 없다. 두 번째는 양자 컴퓨터에는 양자 우월성 외에 도달해야 할 과제가 많다는 사실이다. 오류가 많은 현재 상황을 개선해서 신뢰할 수 있는 연산 결과를 얻을 수 있어야 한다. 현재는 주변 환경에 따라서 큐비트의 상황이 크게 영향 받는다. 오류 정정 기능도 약하다. 양자 컴퓨터의 오류 수정 기능은 많은 기초 과학자들이 연구 중이다.

 

■ 한국에 65큐빗 양자 컴퓨터 설치, 미국 외 세계 3번째 국가

 

한국이 미국 IBM이 해외에 설치하는 3번째 65큐빗 양자 컴퓨터 허브 국가가 될 수 있을까? 미국 IBM은 양자 컴퓨터 설치 및 양자 연구를 촉진하는 양자 허브를 미국 외 국가로로서 독일. 일본 2곳에만 두고 있다. 독일은 프라운호퍼 연구소에, 일본은 올 여름 동경 대학에 각각 설치했다. 미국 IBM은 양자 컴퓨터 상용화에 기업 중 가장 앞선 것으로 평가받고 있다.

 

한국IBM 송기홍 전 대표는 한국과학기술단체총연합회(과총)가 2021년 07월 14일 온라인으로 개최한 '한국 양자과학기술현황과 미래' 포럼에서 "한국의 양자 연구를 촉진하기 위해 IBM의 65큐빗 양자 컴퓨터를 한국에 설치하는 것을 추진 중이다" 라고 밝혔다. 한국에 IBM 양자 컴퓨터가 설치되면, IBM이 미국 밖에 두는 세계 3번째 국가가 된다. 송기홍 전 대표는 "IBM 본사와 국내 몇 몇 연구 기관 및 정부와 IBM 양자 허브 설치를 논의하고 있다. 양자 컴퓨터가 국내에 설치되면, 액세스를 훨씬 더 쉽게 할 수 있어 국내 양자 컴퓨터 연구가 촉진될 것으로 생각한다" 라고 말했다. 그는 IBM이 아무 데나 양자 컴퓨터를 두지 않는다면서 "양자 허브가 되는 것도 경쟁이다. 아시아만 놓고 보면, 우리나라와 호주, 정부 차원에서 관심이 큰 싱가포르 등 3개국 간 경쟁이다. 이왕이면, 한국이 양자 허브국이 됐으면 좋겠다" 라고 덧붙였다.

 

송기홍 전 대표는 미국 IBM의 양자 고도화 계획도 밝혔다. 그에 따르면, IBM은 허빙 보드라는 65큐빗 양자 컴퓨터를 미국. 독일. 일본 등 세 곳에 설치했는데, 2021년 중에 이글이라 불리는 127큐빗 양자 컴퓨터를 설치 할 예정이다. 또한, 2022년에는 430 큐빗 양자 컴퓨터을, 2023년에는 1121 큐빗 양자 컴퓨터를 개발하여 내놓을 계획이다. 송기홍 전 대표는 "매년 양자 컴퓨터의 큐빗 양이 2배로 증가하고 있다" 라며 이 같이 밝혔다.

 

우리나라의 양자 투자에 대해서는 아쉬움을 표했다. 한국은 미국. 유럽. 일본에 비해 양자 컴퓨터 투자 규모가 너무 작다는 것이다. 송기홍 전 대표는 "군데 군데 여러 곳에서 양자 연구를 하는 것은 고무적이다. 문제는 돈. 예산이다. 미국. 유럽. 일본은 국가적 차원에서 1조원 이상을 양자에 쏟아 붓고 있다. 우리 한국은 아직 3천억 밖에 못쓴다는 리포트가 나오고 있다. 외국은 연구 규모와 단위가 우리와 다르다. 정부든 대학이든 연구를 촉진하는 마중물에 해당하는 투자가 한국에서 이뤄져야 한다" 라고 제안했다. 한편, 송기홍 전 한국IBM 대표는 딜로이트 컨설팅 코리아 대표, 모니터그룹 아시아 대표 등을 거쳐 2016년 한국IBM에 합류, 2020년 02월 한국IBM 대표가 됐고, 최근 대표직서 물러나 IBM의 동남아시아 국가연합(아세안)과 한국IBM의 글로벌 비즈니스 서비스 총괄을 맡았다.