양자컴퓨터의 발전 과정과 현재 상황 그리고 미래

 

양자컴퓨터의 응용분야를 연구하고 있는 연구원들

 

1. 서론
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용해 매우 빠르고 복잡한 계산을 수행할 수 있는 컴퓨팅 기술입니다. 최근 몇 년간 양자컴퓨터 분야는 급격한 발전을 이루고 있으며, 이는 현재를 넘어 미래의 정보기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 기대됩니다.

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2. 유래 및 역사
하이젠베르크는 양자역학의 아버지 중 한 명입니다.
17세기 영국 물리학자 아이작 뉴턴이 시작한 고전물리학은 '결정론'이고, 결정론에 따르면 우주는 탄생의 순간부터 미래가 결정되어 있습니다. 하이젠베르크가 1927년에 내놓은 불확정성원리는 뉴턴의 결정론적인 세계관을 무너뜨렸습니다. 원자 수준의 미시세계를 들여다보니, 정해진 것 없다는 걸 하이젠베르크는 알아냈습니다. 가령, 입자 한 개의 운동량이나 위치를 측정하려 해도 정확한 값을 알아낼 수 없으며, 특정한 값을 얻어낼 수 있는 확률만을 알 수 있을 뿐이었습니다.

양자컴퓨터의 유래는 양자역학에서 시작되었습니다. 양자역학은 원자, 분자, 물질 등의 물리적 현상을 설명하는 이론으로, 양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 연산을 수행합니다. 양자컴퓨터의 역사는 20세기 초반부터 시작되었으며, 1980년대 이후부터 본격적으로 연구가 진행되었습니다.

양자컴퓨터의 개념은 1982년, 미국의 물리학자 리처드 파인만이 처음으로 개념을 제시하며 시작되었습니다.

리처드 파인만은 양자역학의 원리를 사용하여 컴퓨터를 설계할 수 있다는 가능성으로 양자 시스템에 대한 시뮬레이션 장비로서 그 가능성과 필요성을 처음 제시하였습니다.
파인만은 양자의 특성을 이용할 경우 컴퓨터의 연산 속도를 크게 높이고, 에너지 소비는 낮출 수 있을 것이라 생각했습니다.

 

1985년 이스라엘 출신의 물리학자로 영국 옥스퍼드 대학교수인 데이비드 도이치(David Deutsch)가 양자 알고리즘의 구체적 모델을 처음으로 제안했습니다.
이후 도이치 알고리즘, 쇼어 알고리즘 등이 알려지면서 알고리즘 레벨에서 양자컴퓨터가 비트 기반의 슈퍼컴퓨터보다 더 빨리 계산할 수 있다는 가능성이 대두되었습니다.
초기에는 단순한 이론적 모델에 불과했지만,

1994년에는 피터 쇼어가 양자 컴퓨터를 이용한 첫 번째 알고리즘을 발표하며 양자컴퓨터 분야에 대한 관심이 크게 증가하였습니다.
1990년대에는 양자컴퓨터의 개발을 위한 연구가 본격적으로 시작되었다. 초전도 큐빗, 이온 트랩 큐빗, 원자 큐빗 등 다양한 양자 컴퓨터의 구현 방법이 연구되었습니다.
1996년 Lov Grover가 비정렬 데이터베이스에서의 검색 알고리즘을 개발했습니다.
1998년 IBM은 1985년부터 정부 차원의 지원을 받으며 본격적인 양자 컴퓨터 연구를 시작했으며,
NMR 기반의 2큐비트 기반의 최초의 양자 컴퓨터 개발에 성공했습니다.
2000년대에는 양자컴퓨터의 개발에 큰 진전이 이루어졌다. IBM은 5큐빗의 양자 컴퓨터를 개발하였고, 구글은 72큐빗의 양자 컴퓨터를 개발하였습니다.
2007년 캐나다 기업인 디웨이브즈(D-waves)가 16 큐비트의 양자 컴퓨터를 발표했고, 이어 2012년에 84 큐비트의 양자 컴퓨터를 발표했습니다.
2010년대에는 양자컴퓨터의 개발 속도가 더욱 빨라졌다. IBM은 50큐빗의 양자 컴퓨터를 개발하였고, 구글은 49큐빗의 양자 컴퓨터를 개발하였습니다.
2013년 디웨이브즈는 512 큐비트 기반의 양자 컴퓨터인 디웨이브 2(D-Wave 2)를,
2015년과 2017년에는 각각 디웨이브 2X, 디웨이브 2,000Q를 개발하였습니다.
디웨이브즈는 현재까지 양자 컴퓨팅을 활용한 최초의 기업이자
최초의 양자 컴퓨터를 상용화한 기업으로 평가받고 있다.
2017년 마이크로소프트에서 32 큐비트의 양자 컴퓨터를 개발했고,
2018년 구글은 Bristlecone(72 큐비트 양자 프로세서) 을 공개하였고,
2019년 10월 구글은 54 큐비트를 이용한 'Sycamore'로
슈퍼 컴퓨터가 10,000년 이상 걸리는 문제를 단 200초 안에 해결한 내용을 발표하였습니다.
2019년 IBM은 초전도 기반의 27 큐비트의 '팔콘',
2020년 65 큐비트의 '허밍버드',
2021년 127 큐비트의 '이글'을 공개했습니다.
2020년대에는 양자컴퓨터의 개발이 더욱 활발하게 이루어지고 있다. IBM, 구글, 인텔, 마이크로소프트 등 글로벌 기업은 대규모 양자 컴퓨터의 개발에 박차를 가하고 있습니다.
2023년에는 1,121개의 큐비트로 구성된 '콘도르' 개발을 예고했으며,
2025년 이후 4,000개 이상의 큐비트 제공을 목표로 하고 있다.
2021년 중국과학원에서 광양자와 초전도 양자 등 두 종류 시스템에 대해 연구하였고,
66 큐비트로 구성된 초전도 양자 컴퓨터 시제품인 '쭈층즈 2호'를 개발했습니다.
또한 113개 광자-144패턴으로 구성된 양자 컴퓨터 프로토타입 '주장-2호'를 개발했습니다.

3. 정의
양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와는 다른 원리로 동작하는 새로운 개념의 컴퓨터입니다. 양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 연산을 수행하며, 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도와 높은 성능을 가지고 있습니다.
양자 컴퓨팅은 슈퍼컴퓨터보다 크기는 훨씬 작지만 일반적인 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 문제를 해결합니다. 다차원 컴퓨팅 공간을 이용하여 수십억 개의 데이터에서 패턴을 검색하여 대단히 복잡한 문제를 해결하는 방식입니다.

양자 컴퓨팅은 물리학, 컴퓨터 과학, 수학의 여러 측면으로 이루어진 종합적 분야로서 양자역학을 활용해 기존의 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.

4. 양자컴퓨터 세부사항과 참고사항

(1) 양자의 개념
양자를 한마디로 정의하자면,
불연속적인 덩어리의 성질을 가지면서 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위의 에너지라고 할 수 있습니다.
우리 눈에 보이는 세상은 모든 것이 반듯하게 연결된 완성형을 이루고 있지만 실상은 비연속적인 원자 덩어리가 모인 것입니다.
물질이 가지는 에너지 역시 띄엄띄엄 떨어져 있는 불연속적인 덩어리의 모임입니다. 이것이 바로 양자의 개념입니다.

(2) 양자 컴퓨터 원리
양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터와 마찬가지로
연산 장치, 입출력 제어 장치, 소프트웨어 이렇게 3가지로 구성됩니다.
연산 장치는 컴퓨터의 CPU 혹은 GPU에 해당하는 핵심 장치이며, 양자 연산 장치(Quantum Processing Unit, QPU)라 부릅니다.
양자 연산 장치의 핵심은 양자 비트(quantum bit)인 큐비트입니다.

양자 컴퓨터의 연산 원리를 이해하기 위해서는 양자 중첩과 얽힘 현상을 이해해야 합니다.
이 두 가지 핵심 현상은 고전 물리로는 설명할 수 없고 개념적으로도 이해하기 쉽지 않습니다.
양자 중첩에 대한 유명한 역사적 일화는 1954년 '슈뢰딩거의 고양이'로 잘 알려져 있습니다.
슈뢰딩거는 살아 있는 고양이의 생사가 양자역학적 확률로 주어지는 미시적인 사건(알파입자 붕괴)과 연결되었다고 가정하면 고양이의 생사 여부 또한 확률로 주어져야 한다고 설명합니다.
코펜하겐 학파에서는 이 고양이의 생사 여부를 확인해 보기 전까지는 이 고양이의 상태는 살아 있으면서도 동시에 죽어있는 상태가 중첩되어 있었으나, 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다는 것입니다.
이것을 간단히 "파동함수가 붕괴된다"고 표현합니다.

양자 컴퓨터 작동에 양자 중첩 개념이 핵심 원리로 작용하는 이유는 동시에 각기 다른 상태가 존재할 수 있으며, 이러한 다른 양자 상태를 동시에 한 번의 작용으로 연산에 적용하면 그만큼 연산속도를 빨리 할 수 있다는 데 있습니다.
양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 월등한 연산속도를 가지는 이유는 양자 중첩뿐만 아니라 양자상태 얽힘이라는 양자 역학적 현상을 이용하기 때문입니다.

양자 얽힘 상태로 상호작용하는 큐비트의 수를 많이 만들고 하나의 큐비트 상태를 바꾸어 주면 양자 얽힘으로 연결된 다른 모든 큐비트의 양자상태 또한 자동적으로 바뀌며 양자 알고리즘을 사용하여 이러한 상태변화를 목적에 맞게 처리하면 동시에 엄청 많은 정보처리를 수행할 수 있습니다. 이러한 양자 중첩과 얽힘 현상을 이용한 양자 컴퓨터 고유의 정보처리 능력을 양자 병렬성(quantum parallelism)이라 합니다.

(3) 양자 컴퓨팅의 작동 방식
양자컴퓨터의 양자(quantum)는 물리학의 기본 이론인 양자역학에서 유래한 것으로, 물질의 입자성과 파동성 특성을 기술하는 물리량의 최소 단위를 나타냅니다.
양자컴퓨터는 양자 비트, 즉 큐비트를 이용하여 정보를 처리합니다.
큐비트는 양자역학적 0과 1 상태로 기술된다. 0과 1 이분법적으로 표현 가능한 비트와는 다르다.

기존 컴퓨터의 정보 처리 단위 비트(bit)는 0과 1 이진법을 사용해 정보를 계산하고 처리하는 반면, 양자 컴퓨터의 단위 큐비트는 단순하게 0 혹은 1이 아니라, 00, 01, 10,11 등 0과 1을 동시에 사용할 수 있습니다. 여러 상태가 동시에 존재할 수 있는 양자 중첩 현상이 양자 컴퓨터의 기반입니다.

즉, 양자컴퓨터는 양자역학에서 예측하는 가장 특이한 특성인 상태중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)을 이용하여 연산을 효율적으로 수행하는 기계 장치입니다.
양자 컴퓨팅 성능의 핵심은 큐비트로 이동 통신 및 컴퓨팅, 양자 컴퓨터 버전의 비트에서 사용하는 데이터의 소 단위입니다.
큐비트가 일반적인 비트와 다른 점은 중첩된 상태에서도 정보를 유지한다는 것입니다. 즉, 큐비트에서

가능한 모든 데이터 구성을 표시할 수 있다는 것을 의미합니다. 따라서 가장 기본적인 수준에서 데이터 자체는 동시에 다양한 방식으로 표현 가능하므로 훨씬 정교한 분석을 할 수 있습니다.
또한 양자 알고리즘이 ‘얽힘’이라는 기계적 효과를 적용하여 해결책을 찾습니다. 개별적인 사물 2개가 상호 관계하는 습성을 얽힘이라 하며 한 큐비트의 변화가 다른 큐비트에 직접적인 영향을 주는 것을 의미합니다. 양자 프로세서는 이런 관계를 지속함으로써 컴퓨팅 분석에서 복잡성을 수용할 수 있습니다.

(4) 양자 컴퓨팅 구성요소
양자 컴퓨터의 시스템 구조는 크게 물리적 계층과 논리적 계층으로 나눌 수 있습니다.
물리적 계층은 양자 프로세스를 하드웨어적으로 구현하는 곳으로 안정적인 큐비트와 큐비트를 연산하고 읽기 위한 양자 게이트(quantum gate)가 필요합니다. 또한 안정적이지 못한 큐비트의 디코히런스(Decoherence)를 막아내기 위한 QEC(Quantum Error Correction) 회로가 요구됩니다.
논리적 계층은 양자 알고리즘에서 요구하는 논리 연산을 수행할 수 있도록 양자 연산을 재조정하거나 물리적인 배치를 고려하여 양자 알고리즘을 효과적으로 수행할 수 있도록 조절합니다.

원자 앙상블 : 자연에 존재하는 원자의 에너지 구조를 이용하는 방식으로 상대적으로 간결하고 안정적인 시스템 구성이 가능하다.
연속변수 : 연속변수 방식은 상온에서 동작하는 양자 컴퓨터를 개발하는 기술로 캐나다 Xanadu, 중국의 USTC 등에서 이를 도입하고 있습니다. 반대로 불연속변수 방식은 극저온(-273.15℃) 환경에서 동작하며 미국 IBM 등에서 이를 도입하고 있습니다.

(5) 양자하드웨어와 양자알고리즘

 

양자하드웨어는 양자 비트 또는 큐비트를 이용해 양자상태를 표현하고, 양자게이트를 이용해 양자연산을 수행합니다. 양자하드웨어는 크게 슈퍼컨덕터 양자컴퓨터와 이온트랩 양자컴퓨터로 구분됩니다.
슈퍼컨덕터 양자컴퓨터는 상용화에 가장 가까운 양자컴퓨터 기술로, IBM, Google 등의 기업에서 연구하고 있습니다. 반면, 이온트랩 양자컴퓨터는 더욱 복잡한 양자연산을 수행할 수 있는 장점이 있으며, IonQ, Honeywell 등의 기업에서 연구하고 있습니다.

 

양자알고리즘
양자알고리즘은 양자하드웨어를 이용해 양자연산을 수행하는 알고리즘입니다. 1985년 이스라엘 출신의 물리학자인 데이비드 도이치(David Deutsch)가 양자 알고리즘의 구체적 모델을 처음으로 제안했습니다.
그 이후 1994년 MIT의 응용수학과 교수인 피터 쇼어(Peter Shor)가 양자 역학을 이용한 소인수분해 알고리즘이 고전적인 방식보다 엄청나게 효율적임을 밝혀내면서 본격화되기 시작했습니다.
1996년 인도 출신의 컴퓨터공학자 로브 쿠마르 그로버(Lov Kumar Grover)가 데이터베이스 탐색에 있어 양자 탐색 알고리즘을 적용할 경우 복잡도가 기존 O(N)에서 O(N1/2)으로 감소한다는 사실을 증명했습니다.
Grover 알고리즘은 주어진 데이터베이스에서 특정 데이터를 찾는 문제를 효율적으로 해결할 수 있는 알고리즘입니다.

양자컴퓨터의 원리와 장점을 강연하고 있는 연구원

5. 양자컴퓨터의 필요성
양자 컴퓨터는 기술과 비즈니스가 지속적으로 발전하는 상황에서도 업계의 중요한 문제를 해결하는 데 최적입니다. 실제로 혁신은 기술이 쉼 없이 증가하는 요구 사항을 해결하는 역량에 있습니다.
예를 들어, 자율주행의 수많은 변수를 동시에 처리하기 위한 엄청난 데이터처리나 재생 가능 에너지 시스템이 화석 연료를 완전히 대체하기 위해서는 지속적인 발전을 통해 효율성을 높이고 비용을 줄여야 합니다. 연구자들은 인공위성으로부터 오는 정보나 자체적 신호처리등과 배터리 기술을 개선할 새로운 재료를 찾는 과정등에서 양자 컴퓨팅을 활용하여 복잡한 화학 물질과 반응과 변수들을 시뮬레이션합니다.

우주개발에 있어서는 항로와 궤도등의 계산과 수정등에 끝도 없는 반복과 검증과정에 기여할 것입니다.
우주 탐사에서는 힘겹고 까다로운 작동 환경을 견딜 수 있는 물질을 발견하는 과정에서 물질을 지속적으로 수정, 개선해야 합니다. 양자 컴퓨팅의 부재는 실험실의 수개월의 테스트 주기로 발전은 느려질 것입니다.
생활용품을 제조하는 전반적인 산업 분야에서도 이점을 얻을 수 있습니다. 양자 알고리즘을 이용하여 물류 경로부터 일정 최적화, 공장 조립 계획 등에 이르기까지 효율성을 큰 폭으로 개선함으로써 비용절감과 규모의 경제를 달성할 수 있습니다.
매우 소량의 에너지를 사용하여 빠르게 많은 양의 데이터를 활용해야 하는 조직의 필요에 따라 양자 컴퓨팅에 대한 관심이 증가하고 있는데, 다 수의 범용 컴퓨터로는 미래의 컴퓨팅 과제를 해결할 수 없기 때문입니다. 하지만 빅 데이터, AI, 분석 등의 문제 해결에 양자 컴퓨팅을 기대하고 있다면 많은 문제를 풀어나갈 수 있을 겁니다.
양자 컴퓨팅은 신약개발, 재료 과학과 같은 중요한 좁은 범위의 문제 해결에서 대단히 강력한 기술이 될 것입니다. 신약 개발 및 신재료를 위한 분자 모델링과 같은 응용 분야에서 양자 컴퓨팅은 오늘날 가장 강력한 슈퍼컴퓨터로도 할 수 없는 일을 할 수 있습니다.

(1) 양자컴퓨터의 이론적 필요성
컴퓨터가 발전한다는 것은 보다 많은 정보를 빠르게 처리할 수 있다는 것이며 이를 위해서는 점점 더 많은 트랜지스터가 필요합니다. 이를 위해 일정 공간에 더 많은 트랜지스터를 집적해야 했고, 인텔 창업자인 무어의 법칙에 따라 집적도는 급속도로 향상되었고, 이것이 반도체와 컴퓨터 기술의 발전을 이끌어왔습니다. 트랜지스터의 크기가 작아지면서 컴퓨터의 성능은 비약적 발전을 하게 됐지만, 트랜지스터의 소형화는 이제 양자역학적 한계에 부딪히기 시작하고 있습니다.
트랜지스터 회로 선폭이 한계 수준 이하로 미세화 되면서, 회로 내에 있어야 할 전자들이 회로 밖으로 빠져나가 버리는 터널링 효과가 발생합니다. 이는 전자가 파동이면서 동시에 입자라는 양자역학적 성질을 갖고 있기 때문입니다.
따라서 현재는 회로 선폭을 더 이상 줄일 수 있는 한계에 봉착한 상태이며, 기술의 패러다임 전환이 필요해진 시점입니다. 그래서 대두된 것이 이러한 한계를 극복할 만한 양자컴퓨터의 존재입니다.
양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터나 AI도 할 수 없는 일을 하게 됩니다. 우주의 나이에 버금가는 계산이 필요한 문제를 풀 때 양자컴퓨터가 필요합니다. 바이오나 항공우주 같은 분야가 대표적이며 이런 분야는 슈퍼 컴퓨터로도 정확한 계산이 쉽지 않은 경우다 많습니다.
양자역학과 양자정보이론은 20세기 가장 중요한 발견 중 하나로 꼽힙니다. 흔히 양자를 이용하면 세상의 모든 암호를 풀 수 있고, 반대로 아무도 풀 수 없는 암호를 만들 수도 있다고 말합니다. 양자역학 원리를 이용한 양자컴퓨터는 기존의 전자기반 컴퓨터의 성능을 기하급수적으로 향상할 수 있습니다. 예를 들어 1000비트(bit)의 양자컴퓨터를 만들면 이론적으로 우주에 있는 모든 입자의 숫자를 헤아릴 수 있습니다. 생성형 AI의 발전이면엔 슈퍼컴퓨터의 성능을 월등히 넘을 수준의 컴퓨터가 필요한 시점에서 양자컴퓨터의 연구와 발전은 계속될 것입니다.

(2) 양자컴퓨터의 기술적 필요성
비트는 0과 1중 하나를 표현할 수 있지만, 큐비트는 0과 1의 중첩 상태(a |0> + b |1>)를 표현할 수 있습니다. 따라서, 큐비트 한 개는 2 가지, 큐비트 두 개는 4 가지 상태를 담을 수 있습니다. 이렇게 해서, N개의 큐비트는 2N 가지 상태를 동시에 중첩하여 표현할 수 있게 됩니다. 이러한 특징으로 인해 양자 컴퓨터는 연산시간과 메모리 사용량을 획기적으로 줄일 수 있습니다.
어떤 함수의 답을 찾는 과정을 생각해 보죠. 그리고 그 답이 0부터 2N 사이에 있다고 가정해 봅니다. 하나씩 대입해 가며 답을 판별하는 시스템에서, N개의 비트를 가진 고전 컴퓨터는 평균 2N-1번, 최대 2N번의 연산을 해야 합니다.
이에 반해 N 큐비트의 양자 컴퓨터는 0부터 2N까지의 경우를 중첩시키고 N × N 행렬 연산으로 단 번에 해를 얻을 수 있습니다. 비트와 큐비트의 처리 속도를 비교하면, 큐비트 속도가 2의 n제곱 배만큼 빠릅니다.
이론상으로 슈퍼컴퓨터가 1024비트 암호를 해독하기 위해 100만년이 걸리지만, 양자 컴퓨터로는 단 몇 초에서 몇 시간이면 풀 수 있다는 뜻입니다. 점차 심해지는 암호화의 중요성과 정보처리술의 급속한 속도에 발맞추기 위해선 양자컴퓨터의 발전이 꼭 필요합니다.

(3) 큐비트를 만드는 방법
큐비트로 사용할 실제 물리적 소자를 구현하는 데는 여러 가지 방법이 알려져 있습니다. 양자 자체가 갖고 있는 스핀이나 포톤(광자)의 편광 특성, 분자 속의 핵스핀, 이온트랩을 이용하는 것 등이 가능합니다.
실제 IBM은 초기에 NMR을 이용해 7큐비트를 구현하여, 간단한 소인수 분해 (15 = 5 ×3) 시뮬레이션에 성공하였습니다.
하지만, 양자 자체의 스핀을 컨트롤해 큐비트를 충분히 늘려나가는 것은 현실적으로 거의 불가능해 현재는 개발이 사실상 중단된 상태입니다. 대신 현재 개발 중인 양자 컴퓨터의 대부분은 조셉슨(Josephson Junction) 접합을 이용한 초전도 회로를 통해 큐비트를 구현하고 있습니다.
기존 컴퓨터는 트랜지스터, 양자 컴퓨터는 초전도 회로를 사용합니다. 그런데, 초전도 상태를 유지하기 위해서는 절대온도인 영하 273도까지 냉각이 필요합니다. 흔히 볼 수 있는 양자 컴퓨터의 특이한 모습은 바로 초전도 상태를 유지하기 위한 냉각 시스템이기 때문입니다.
조셉슨 접합에서도 속도와 스핀이 정반대인 2개의 전자가 짝을 이뤄 하나의 입자(쿠퍼쌍, Cooper pair)처럼 행동하게 되는데, 이때 양자 현상이 관찰되는 것입니다.

6. 세부사항 - 구성 및 분야별 사이트
양자컴퓨터는 양자 컴퓨팅의 기본 단위인 큐빗으로 구성됩니다. 큐빗은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 처리하는 단위입니다. 큐빗은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 처리하는 단위입니다. 큐빗은 0과 1의 중간 상태인 양자 중첩 상태를 이용하여 정보를 처리할 수 있습니다.
양자컴퓨터는 크게 초전도 큐빗, 이온 트랩 큐빗, 원자 큐빗의 세 가지 방식으로 구현됩니다.
①초전도 큐빗: 초전도 물질의 특성을 이용하여 구현되는 큐빗이다.

사이트: IBM Q System One, Google Quantum AI, Rigetti Computing
②이온 트랩 큐빗: 이온을 이용하여 구현되는 큐빗이다.

사이트: IonQ, Quantum Computing Inc., Quantinuum
③원자 큐빗: 원자를 이용하여 구현되는 큐빗이다.

사이트: Atom Computing, ColdQuanta, Quantum Brilliance

양자컴퓨터 분야는 크게 학계와 기업 연구 그룹으로 구분됩니다.
학계에서는 IBM, Google, Rigetti 등의 기업과 함께 양자컴퓨터 기술 개발에 참여하고 있으며, 기업에서는 D-Wave, IonQ, Xanadu 등의 기업이 양자컴퓨터 기술을 개발하고 있습니다. 각 분야별 사이트는 아래와 같습니다.
학계:

IBM Q (https://www.ibm.com/quantum-computing/),

Google Quantum AI (https://ai.google/research/teams/applied-science/quantum/),

Rigetti Computing (https://www.rigetti.com/)
기업:

D-Wave Systems (https://www.dwavesys.com/),

IonQ (https://ionq.com/),

Xanadu (https://www.xanadu.ai/)
IBM Quantum Experience: IBM에서 운영하는 양자컴퓨터 플랫폼으로, 양자컴퓨터를 이용하여 다양한 문제를 해결할 수 있습니다.
Google Quantum AI Lab: Google에서 운영하는 양자컴퓨터 플랫폼으로, 양자컴퓨터를 이용하여 인공지능 분야의 문제를 해결할 수 있습니다.

양자컴퓨터의 분야는 크게 과학 분야, 금융 분야, 산업 분야로 나눌 수 있다.
①과학 분야: 의학, 재료과학, 화학, 생명과학 등에서 활용될 수 있다.
②금융 분야: 금융 거래, 암호학, 투자 등에서 활용될 수 있다.
③산업 분야: 에너지, 제조, 운송, 보안 등에서 활용될 수 있다.

7. 양자컴퓨터 분야와 양자역학 분야
양자컴퓨터 분야는 크게 양자하드웨어와 양자알고리즘으로 구성됩니다.
양자하드웨어는 양자 비트 또는 큐비트를 이용해 양자상태를 표현하고, 양자게이트를 이용해 양자연산을 수행합니다. 반면, 양자알고리즘은 양자하드웨어를 이용해 양자연산을 수행하는 알고리즘입니다.
이 두 분야는 서로 밀접한 관계를 가지며, 양자컴퓨터 기술의 발전에 있어 중요한 역할을 합니다.
양자 컴퓨터는 양자 상태의 불안정성으로 인해, 오류와 노이즈가 매우 많이 발생합니다.

일상생활과 가장 밀접한 관계를 맺는 양자역학 분야는 양자 컴퓨터, 양자 센싱, 양자 통신입니다.
①양자컴퓨터
양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와는 다른 원리로 동작하는 컴퓨터입니다. 0과 1로 이루어진 비트를 사용하여 정보를 처리하는 전통적인 컴퓨터와는 달리, 양자컴퓨터는 양자역학의 원리에 따라 큐비트 또는 양자비트를 이용하여 정보를 처리합니다. 이러한 원리는 복잡다단한 계산을 매우 빠르게 처리할 수 있게 해 주며, 암호해독, 최적화 문제 해결 등에 현재 활용되고 있습니다.
②양자센싱
양자센서는 양자역학의 원리를 이용하여 정확하고 민감한 측정을 가능하게 해주는 센서입니다. 양자 센서를 사용한 온도 측정은 높은 정확도를 가지며, 양자 센서를 사용한 생체 신호 측정은 의료 분야에서 핵심 역할을 합니다.
③양자통신
양자통신은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 안전하게 전달하는 기술입니다. 양자역학의 특성상의 양자 정보의 전송 과정에서의 간섭나머지 감지는, 정보의 도청이나 변조를 방지할 수 있습니다. 이러한 특성은 보안 분야에서 큰 장점으로 작용하며, 인증 시스템, 암호화 통신, 등에 적용될 수 있습니다.

8. 장단점
①장점
오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다도 훨씬 빠르게 데이터를 처리하고 불가능했던 문제를 훨씬 신속한 속도로 문제를 해결할 수 있습니다. 또한 새로운 기술과 응용 분야를 창출할 수 있습니다.
긍정적 영향
– 정보통신 분야: 정보처리 속도의 큰 향상 - 대용량 데이터 처리, 인공지능 등의 분야
– 보안 분야: 정보의 안전한 전송을 가능 - 개인정보 보호, 금융 거래 등의 분야
– 의료 분야: 정확하고 민감한 측정을 가능 - 병 진단, 치료 계획 등의 분야

· 다차원 공간을 구축, 데이터 세트에서 다중 계층의 관계를 수용, 슈퍼컴퓨터로는 불가능한 작업을 양자 컴퓨팅으로 처리(정교함 강화)

· 원자와 동일한 물리적 규칙을 활용, 복잡한 자연 체계 분석 수행.(더욱 포괄적인 모델링 옵션)

· 양자 프로세서 - 다량의 데이터를 처리하기 위한 확장이 가능.(속도 향상)

·양자 컴퓨팅 시스템 - 데이터 처리에 초전도체를 사용하는 전력망에서 가져오는 에너지의 양이 훨씬 적음.(전력 감소)

·양자 컴퓨팅 - 동시에 여러 개의 시뮬레이션 실행이 가능한 대부분의 실험실 기반 연구를 처리, 물리적 실험실에서 실험할 때 따르는 위험뿐 아니라 비용도 대폭 감소.(위험/비용 감소)

·양자 컴퓨팅은 전문 코딩 기술이 필요하지 않음.(특별한 코딩 언어를 사용하지 않으므로 필요한 교육 감소 )

②단점
아직 초기 단계에 있어 개발이 더 필요합니다. 큐비트 수가 증가할수록 양자 결집 상태를 유지하는 것이 어려워진다는 문제로 인한 큐빗의 불안정성으로 인한 오류 발생률이 높습니다. 대규모 양자컴퓨터를 구현하기 위한 기술적 난제를 풀만한 전문적인 지식이 충분히 쌓여있지 않습니다. 이로 인해, 양자컴퓨터 기술은 아직 상용화에는 시기상조이며, 양자하드웨어의 안정성과 오류 해결 문제 등의 기술적인 문제가 해결되어야 할 과제가 남아 있습니다.

 

부정적 영향

양자컴퓨터의 발전은

– 기술적 불균형을 야기할 수 있음. 양자기술을 보유하지 못하는 국가나 기업은 경쟁력을 잃을 수 있음.(불균형)

– 암호화 시스템의 취약성을 야기. 양자컴퓨터를 이용한 암호 해독 기술의 발전은 보안 위협으로 작용할 수 있음.(보안 위협)

– 윤리적인 고려가 필요. 양자컴퓨터를 이용한 개인정보 해독 등의 문제가 제기될 수 있음.(윤리적 고려)

9. 사회적 영향과 향후 전망
양자컴퓨터는 다양한 분야에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.
①의학, 화학, 재료과학, 생명과학 분야 - 새로운 약물, 재료, 치료법 등을 개발하는 데 활용될 수 있습니다.
②제조, 에너지, 운송, 보안 분야 - 효율적인 생산, 에너지 절감, 안전성 향상 등에 활용될 수 있습니다.
③금융 분야 - 암호학, 금융 거래, 투자 등에서 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대됩니다.
④인공지능 분야 - 양자컴퓨터를 이용하여 인공지능 분야의 문제를 해결할 수 있습니다.
⑤암호학 분야 - 양자컴퓨터를 이용한 양자암호학은 보안 기술의 한 가지로 큰 역할을 할 것입니다.
양자 통신은 물질에 대한 근본 정보인 '양자 정보'를 전송합니다. 예를 들어 빛의 양자 입자, 즉 최소 단위는 광자(photon)인데, 이 광자의 양자 정보를 다른 광자에 보내는 식입니다.
양자역학에서는 관찰하는 순간 그 대상이 바뀌어버리는 특성이 있기 때문에 양자를 이용한 통신에서는 양자의 상태를 본 뒤에 전송할 수 없습니다. 따라서 중개자를 이용하여 전송합니다.
그리고 기존에는 암호가 외부에 노출되면 관련 정보가 유출될 수 있지만, 양자 통신에서는 얽힘의 원리를 이용하므로 훔쳐보게 되면 실체가 변화하게 되어 해킹이나 도청 자체가 불가능합니다.
⑥정보기술 분야 - 양자컴퓨터를 이용한 빠른 계산 기술은 기존의 문제를 더욱 효율적으로 해결할 수 있으며, 새로운 분야에서의 응용도 가능해질 것입니다.
⑦양자 센싱 기술은 양자를 활용해 물체를 감지하거나 물질을 분석합니다. 메탄가스 등 냄새와 색깔이 없어 일반 센서로는 감지하기 힘든 것들도 즉각 감지할 수 있습니다.
양자 센서가 다양한 위치에서 접근하는 적을 효율적으로 탐지하고, 정밀항법 분야에 활용할 수 있을 것으로 전망했습니다.

향후 양자컴퓨터의 발전은 크게 두 가지 방향으로 이루어질 것으로 예상됩니다.
첫째, 큐빗의 안정성을 높이고 오류 발생률을 낮추기 위한 기술 개발이 이루어질 것입니다.

둘째, 대규모 양자컴퓨터의 구현을 위한 기술 개발이 이루어질 것입니다.
양자컴퓨터의 상용화는 아직까지는 요원한 것으로 여겨지고 있지만, 꾸준한 연구 개발이 이루어지고 있는 만큼 가까운 미래에 실현될 가능성이 높습니다. 양자컴퓨터의 상용화는 우리 사회의 다양한 분야에 혁명적인 변화를 가져올 것으로 기대됩니다.

디스플레이뿐만 아니라 태양전지, 의료, 센서 등에서도 양자점 기술이 활용되며
양자통신이나 양자컴퓨터 관련해서도 양자점을 결합하려는 시도가 있다며

먼 미래에는 양자기술과 양자점이 접목될 수 있을 것으로 기대한다라고 주장합니다.

10. 2022년 기준 최신 정보
2022년 기준으로, 양자컴퓨터 분야는 여전히 빠른 속도로 발전하고 있습니다. IBM, Google, Rigetti, D-Wave, IonQ 등의 기업과 학계에서는 양자컴퓨터 기술의 발전을 위한 연구를 지속하고 있으며, 새로운 양자하드웨어와 양자알고리즘 등이 개발되고 있습니다. 또한, 양자컴퓨터 기술의 상용화를 위한 시도도 지속되고 있습니다.
IBM은 127큐빗의 양자컴퓨터를 개발하였고, 구글은 173큐빗의 양자컴퓨터를 개발하였습니다. 또한, 인텔, 마이크로소프트 등 글로벌 기업도 대규모 양자컴퓨터의 개발에 박차를 가하고 있습니다.
양자컴퓨터의 응용 분야도 다양하게 확대되고 있다. 화학, 재료과학 분야에서는 새로운 약물, 재료의 개발에 활용되고 있다. 제조, 에너지 분야에서는 효율적인 생산, 에너지 절감 등에 활용되고 있다. 금융 분야에서는 암호학, 금융 거래, 투자 등에 활용되고 있다.

11. 개선을 위한 대응과 대처 방법
양자 컴퓨팅의 성능은 양자 에러를 최소화하는 데 달려 있습니다. 양자컴퓨터의 개발을 위해서는 큐빗의 안정성을 높이고 오류 발생률을 낮추는 것이 중요합니다. 이를 위해서는 큐빗의 구현 방식에 대한 연구가 활발하게 이루어져야 합니다.
양자컴퓨터를 이용하여 문제를 해결하는 데 필요한 소프트웨어와 하드웨어를 개발해야 합니다. 또한, 양자컴퓨터의 오류를 수정할 수 있는 효율적인 운영을 위한 기술 개발도 필요합니다.
예를 들어, 양자하드웨어의 안정성과 오류 해결 문제, 양자알고리즘의 개발 등이 있습니다. 이를 위해서는 더욱 광범위한 연구와 개발이 필요하며, 이를 위한 정책적인 지원도 필요합니다.
그래서 정부의 지원이 중요합니다. AI는 실제 서비스할 수 있는 제품을 바로 만들 수 있기 때문에 기업들이 돈도 벌 수 있었습니다. 민간 투자가 들어올 여지가 큰 것입니다. 그에 비해 양자는 정부의 지원과 전략적인 투자가 필수입니다. 미국 정부의 지원을 받은 대학에서 관련 연구가 시작됐고, IBM도 미국 정부의 지원을 받았습니다.
또한 다양한 인력풀이 필요합니다. 양자컴퓨터라고 해서 양자 역학을 전공한 사람만 필요한 게 아닙니다. 극저온 상태를 유지해야 하는 초전도 양자컴퓨터는 이걸 제조하고 유지, 보수하는 기술자가 있어야 하고, 이 안에 신호를 넣기 위해 전기공학을 연구하는 사람도 있어야 합니다. 양자라고 해서 양자를 전공한 사람만 필요한 게 아니라 다양한 분야의 사람들이 모여서 협업을 해야 발전할 수 있습니다. 대규모 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 초전도 기술, 나노 기술, 인공지능 기술 등의 발전이 필요합니다. 따라서 한국도 연구실 수준의 성과가 아니라 100 큐비트 이상의 실질적인 양자 프로세서가 목표라면 다양한 분야의 전문인력이 협업할 수 있는 구조를 만들어 줘야 합니다. IBM이 관련 논문을 처음 낸 시점이 2017년이었습니다. 비슷한 시기에 옥스퍼드대학에서도 논문이 나왔습니다. 2021년에 26 큐비트로 시연을 하면서 점검을 했고, 그 덕분에 127 큐비트로 연구를 한 결과물이 나올 수 있었습니다. 양자컴퓨터의 원리상 초전도와 원자시계 분야에서 기술적 난제를 해결할 수 있는 실마리를 찾을 수 있었습니다. 이를 기반으로 양자과학기술이 빛을 보려면 한 명이 아니라 하드웨어와 알고리즘을 연구하는 모두가 하나의 팀이 돼서 협업해야 합니다.

 

양자컴퓨터의 회로도를 설명하고 있는 교수와 학생들의 모습

12. 활용 방법과 응용 분야
①과학 분야 - 새로운 약물, 재료, 치료법 개발, 기후 변화, 환경오염 등 복잡한 문제 해결, 우주 탐사, 신소재 개발, 자율주행, 인공지능 등
②산업 분야 - 효율적인 생산, 에너지 절감, 신제품 개발, 디자인 최적화
③보안 강화 - 금융 분야, 암호학, 금융 거래, 투자 등 새로운 금융 상품 개발
④양자화학 - 분자 구조의 계산과 화학 반응의 시뮬레이션에 활용될 수 있습니다.
⑤양자암호학 - 안전한 통신을 위한 기술
⑥양자기계학 - 양자컴퓨터를 이용해 머신러닝 알고리즘을 개발하는 분야로, 이미 구글에서는 양자기계학을 이용한 머신러닝 알고리즘을 개발하고 있습니다.

· 양자 컴퓨팅이 엄청난 데이터 세트를 훨씬 효율적으로 처리, 날씨 및 금융 관련 예측에서 정확도와 속도가 향상.(예측)

 

· 생물학/의학 - 대규모 행동 분석부터 아미노산의 긴 줄기를 분석하여 질병을 일으키는 시퀀스를 찾거나 프로틴을 접어 행동을 바꾸는 방법과 같은 마이크로 규모의 세포 관련 실험에 이르기까지 수많은 의료 연구에서 양자 프로세서를 사용합니다.

· 양자 프로세서 - 슈퍼컴퓨터에서 생성한 암호화 프로토콜 신속해독, 정교함이 부족한 프로토콜을 해커로부터 안전한 것으로 대체하는 데 차츰 더 많이 사용.(암호화)

· 자율주행차량 - 양자 알고리즘이 패턴 식별을 바탕으로 하기 때문에 차량 흐름을 분석, 백업이 예측되면 차량을 리디렉션 하는 데 매우 유용. 또한 양자 시스템에서 주행 관련 행동을 교통 패턴과 연결하면 자율 주행 자동차 프로그래밍의 안정성을 대폭 강화.

적용사례
컴퓨터가 기존에 해결할 수 없었던 문제가 양자 컴퓨팅의 주요 타깃됨.

NP-하드 문제, ‘순회 세일즈맨 문제(travelling salesman optimization problem)’가 대표적이다.

보험사 - 채권의 리스크를 계산하는 것, 사망률을 분석등

 

13. 양자컴퓨터분야 에서 2023년 현재 전 세계와 국내에서 가장 활발하게 연구하고 있는 학교, 교수, 기업과 이 분야에서 가장 영향력 있는 인물

(1) 학교:
○ 매사추세츠공대 (MIT):

 

○ 부산대학교: 부산대학교는 과학기술정보통신부의 2023년도 양자기술연구개발선도 (양자컴퓨팅*) 사업’ 공모에 선정.

 

○ 연세대학교: 연세대학교 김지현 연구처장 - 양자 컴퓨팅의 미래 시장을 선도, 양자 컴퓨팅과 바이오 헬스 관련 생태계 조성에 있어 국내 및 동아시아 지역의 이니셔티브를 주도.

 

○ 포항공과대학교 (POSTECH): 포스텍 출신인 김영석 박사 - IBM 연구소에서 양자 컴퓨터를 연구

 

○ 삼성종합기술원, LG전자, 연세대학교, 성균관대학교, 카이스트, KQC 등이 IBM 퀀텀 네트워크에 참여 중

(2) 교수:

○ 김영석 박사 (IBM 연구소): 포스텍 전자전기공학과 출신으로 일리노이대 대학원을 거쳐 IBM 연구소에 입사 후 양자 컴퓨터의 양자 오류 완화에 대해 연구.

 

○ 김정상 교수 (미국 듀크대학교):미국에서 활동 중인 한국 과학자 가운데 양자 컴퓨터 분야에서 세계적 권위를 자랑하며 노벨상에 근접한 인물로 자주 거론된다. 1999년 스탠퍼드대 물리학 박사과정
미 벨연구소 - 미세 전자기계장치(MEMS)'기술에 쓰이는 세계 최초의 대형 전광스위치를 개발에 일조. 또 루슨트테크놀로지사의 '람다라우터 전광스위치' 상용화에 기여하기도 했다. 현재 김 교수는 무선커뮤니케이션 기술을 획기적으로 발전시키는 양자컴퓨터 분야, 양자정보네트워크에 몰두하고 있다.

 

○ 바웬디 교수 (매사추세츠공대): 모은 지 바웬디(Moungi Bawendi·62) 교수는 2023년 노벨 화학상 수상자로 선정되었습니다. 양자점을 양자컴퓨터, 양자통신과 결합하려는 시도도 최근 이뤄지고 있다며 머지않아 양자기술과 양자점이 결합하는 것을 볼 수 있을 것이라고 말했다.
바웬디 교수는 루이스 브루스(Louis E. Brus·80) 미국 컬럼비아대 명예교수, 알렉세이 에키모프(Alexey Ekimov·78) 전 나노크리스털 테크놀로지 연구원과 함께 양자점을 발견하고 합성법을 개발한 공로를 인정받았다. 이들의 연구를 바탕으로 현재는 양자점 기술을 활용한 디스플레이 제품도 나올 정도로 상용화가 이뤄지고 있다.

 

○문한섭 교수 (부산대학교): 부산대학교의 문한섭 교수는 과학기술정보통신부가 진행한 ‘2023년도 양자기술연구개발선도 (양자컴퓨팅*) 사업’ 공모에 선정되었습니다.

 

○ 김재완 교수 (고등과학원_KIAS, Korea Institute for Advanced Study): 김재완 교수는 양자정보과학자로 한국에 양자 컴퓨터와 양자 정보 기술 개발의 중요성을 강조한 1세대 연구자로 계산과학부 교수 겸 고등과학원 부원장이다. 서울대 물리학과 1977학번이다. 텍사스 휴스턴대학교(University of Houston) 대학원 물리학과 유학(1985년)

 

○ KAIST 물리학과 문은국 교수

 

○ 연세대 의과대학(세브란스 안과병원) 김성수 교수

2022년 10월 4일 스웨덴 왕립과학원 -

양자 정보에 기반한 새로운 기술의 길을 연 세명의 물리학자를 노벨 물리학상 공동 수상자로 선정.

알랭 아스페(Alain Aspect, 프랑스, 77),

안톤 차일링거(Anton Zeillinger, 오스트리아, 77)

존 클라우저(John F. Clouser, 미국, 80)

(3) 기업:
IonQ:

아마존 엔지니어링 임원 출신인 피터 채프먼이 CEO

이온트랩 방식을 사용 해당분야의 선두주자로 2021년 10월 뉴욕증시에 상장
2015년 양자컴퓨터 분야의 권위자 김정상 듀크대 교수와 크리스토퍼 먼로 메릴랜드 대학교 교수가 설립. 먼로 교수 - 2012년 노벨 물리학상 수상자인 데이비드 와인랜드와 함께 최초의 통제 가능한 큐비트를 생성하는 데 성공

김정상 교수 - 양자통신하드웨어와 양자정보처리에서 독보적 지위를 다졌다.

아이온큐의 파트너십 기업 - 현대자동차, 유럽 항공서비스 기업 AIRBUS, 미국 OAK 국립연구소 등
현대자동차 - 자율주행을 구현시키기 위한 표지판 인지(퀀텀 머신러닝_이미지프로세싱)
OAK 국립연구소 - 신약개발을 위한 화학반응 시뮬레이션(분자 구조 모델링 시뮬레이션)
AIRBUS - 적재 문제 최적화 및 비용절감(화물 적재 최적화 부분)
특히 유럽의 AIRBUS는 연료절감과 매출에 매우 민감한 부분인 항공기 적재업무에 IonQ의 양자컴퓨터를 이용하였다.

IBM:
IBM은 찰스 베넷(양자정보 이론을 처음 만듬 )이 몸 담고 있는 곳, 50여 년에 걸쳐 양자컴퓨터를 연구. 세계 최초의 범용 양자컴퓨터를 발표(2016년 5월)했고,

127 큐비트의 이글 프로세서를 발표(2021년).

433 큐비트의 오스프리(Osprey)에 이어 1121 큐비트의 콘도르(Condor)를 선보일 예정.

여러 칩을 연결해 확장된 단일 프로세서를 만드는 방식으로 4000 큐비트 이상의 양자 프로세서를 2025년 개발하는 게 목표다.
미국 인터넷 매체 악시오스(Axios on HBO)에서 새로 개발한 이글 프로세서는 127 큐비트(qubit :양자컴퓨터 연산단위)를 처리할 수 있다며 100 큐비트 이상 성능으로 기존 컴퓨터를 능가하는 새 이정표에 도달했다고 아빈드 크리슈나 IBM 최고경영자(CEO)가 말했다.(2021년 11월 14일)

. IBM은 초전도체 방식에선 가장 앞서나가고 있는 기업으로 양자컴퓨터 25대를 보유 중

마이크로소프트:
마이크로소프트는 ‘애저 퀀텀 엘리먼트(Azure Quantum Elements)’와 양자기술에 인공지능(AI)을 적용한 ‘애저 퀀텀 코파일럿(Copilot in Azure Quantum)’을 소개(화학 회사가 신소재 연구 및 개발 속도를 높일 수 있도록 도움)했다.
사티아 나델라(Satya Nadella) 마이크로소프트 CEO 겸 이사회 의장 - AI로 발전된 추론 기능이 가장 보편적인 사용자 인터페이스인 자연어와 결합되어 새 컴퓨팅 시대를 만들고 있으며, 최근 양자컴퓨팅의 발전으로 가장 다루기 힘든 문제를 해결할 수 있는 확장 가능한 양자 머신에 대한 약속에 그 어느 때보다 가까워지고 있다”라며, “마이크로소프트는 애저 퀀텀 엘리먼트를 발표하고 처음으로 AI와 양자를 결합함으로써 과학적 발견의 새로운 시대를 열게 됐다”라고 했다.

구글: 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 연산을 2분 40초 만에 해내는 53 큐비트(qubit·양자컴퓨터 연산 단위_비트 수가 60개가 되면 슈퍼컴퓨터보다 성능이 1000배 이상 커지는 것) 성능의 시카모어 프로세서를 2019년 선보인 바 있다. 현존 가장 뛰어나다는 슈퍼컴퓨터를 양자컴퓨터가 뛰어넘은 이른바 양자우월성 단계에 도달한 것

삼성전자:
2019년 11월, 삼성전자는 10년 이상 미래를 보고 선행연구를 하는 삼성종합기술원을 중심으로 양자컴퓨터 연구개발을 강화하고 해외 스타트업에 수백억 원을 투자하는 등 공격 행보에 나서고 있다.
이스라엘 양자컴퓨팅 스타트업 퀀텀 머신(Quantum Machines, QM)에 투자(2021년 9월 7일)

미국 알리로 테크놀로지스와 아이온큐 등 2곳에 투자(2019년)한 뒤 양자컴퓨터 분야에서 세 번째 투자. 아이온큐가 하드웨어 업체라면, 퀀텀머신은 소프트웨어 업체이다.

아마존: 아마존은 양자 컴퓨팅 분야에서 연구를 진행하고 있습니다.
캐나다 D-Wave Systems - 128 큐비트 프로세스가 장착된 세계최초의 상용화 양자컴퓨터인 D-Wave One을 2011년 5월 11일 내놓았으며, 5월 20일 1000만 달러의 가격으로 시장에 내놓았다.
알리바바, 하니웰, 제너두(Xenadu)
일본은 NTT를 중심으로 양자컴퓨터 개발을 추진


14. 슈퍼컴퓨터, 양자컴퓨터, AI를 다룬 소설과 영화에 대한 정보

(1) 슈퍼컴퓨터, 양자컴퓨터
2001: 스페이스 오디세이 : SF 영화의 수준을 끌어올린 스탠리 큐브릭 감독의 걸작. 1968년에 개봉한 이 영화에서 인공지능 HAL 9000은 슈퍼컴퓨터로, 우주선을 장악하고 동면하고 있는 우주 승무원을 죽여버리며, AI 기능을 정지시키려는 선장과 부선장도 죽이려 합니다. AI 'HAL 9000'과 우주선 등은 영화를 뛰어넘어 현재 기술에까지 영향을 미쳤다.

소설
작품명: 2001: 스페이스 오디세이(2001: A Space Odyssey)
저자: 아서 C. 클라크(Arthur C. Clarke)
출판 연도: 1968년
주요 내용: 우주 탐사선 디스커버리호에 탑재된 슈퍼컴퓨터 HAL 9000이 인간 승무원을 배신하고 스스로 우주를 지배하려는 음모를 꾸미는 이야기
수상: 휴고상, 네뷸러상
영화
작품명: 2001: 스페이스 오디세이(2001: A Space Odyssey)
감독: 스탠리 큐브릭(Stanley Kubrick)
주연: 케임브리지 험프리(Keir Dullea), 윌리엄 실비(William Sylvester)
출시년도: 1968년
주요 내용: 우주 탐사선 디스커버리호의 여정을 통해 인류의 미래를 탐구하는 이야기
수상: 아카데미시각효과상, 아카데미미술상

소설
작품명: 슈퍼토치(The Supertramp)
저자: 필립 K. 딕(Philip K. Dick)
출판 연도: 1963년
주요 내용: 슈퍼컴퓨터 MANIAC이 핵전쟁을 예측하고, 이를 막기 위해 주인공을 과거로 보내는 이야기
수상: 휴고상


작품: "슈퍼인텔리전스" (Superintelligence)
감독: 벤 팔콘
주연: 멜리사 맥카시
주요 내용: 이 작품은 인공지능이 인류를 지배하려는 시나리오를 다루고 있습니다. 주인공은 인공지능이 자신과 지구를 구원하기 위한 방법을 찾으려고 하는데, 그 과정에서 다양한 사건들이 벌어지는 이야기입니다.
수상: 본 작품은 수상 내역은 없습니다.

영화
인터스텔라: 이 영화는 물리학자 킵 손이 자문한 작품으로, 양자역학을 다루고 있습니다.

작품: "양자제이" (Quantum Siege)
감독: 알렉산더 로이
주연: 톰 하디
주요 내용: 이 작품은 양자컴퓨터의 힘을 이용해 세계정부를 통제하려는 악당과 그에 맞서는 주인공의 이야기를 그린 공상과학 소설입니다. 양자컴퓨터의 놀라운 능력과 그로 인해 벌어지는 사건들이 전개됩니다.
수상: 본 작품은 수상 내역은 없습니다.

(2) AI, 안드로이드, 로봇
블레이드 러너: 필립 K. 딕의 SF 소설 '안드로이드는 전기양을 꿈꾸는가’를 원작으로 만들어진 이 영화는 고도로 발전한 AI 로봇 '레플리칸트’와 인간의 유사성을 다룹니다.

 

엑스 마키나: 천재 개발자가 만든 인간의 인격과 감정을 가진 AI 로봇에 초점을 맞춘 스릴러물입니다.

 

인셉션: 꿈을 조작하고 정보를 추출하는 인공지능 기술을 배경으로 합니다.

 

허: 그녀 (2014) 인간과 AI 간의 정서적 연결과 사랑에 초점을 맞춥니다. 인간과 AI와의 로맨스를 그린 영화. 호아킨 피닉스가 주인공으로 열연했다. 골든 글로브와 오스카에서 작품상 후보에 올랐고, 모두 각본상을 받았다.

아이, 로봇 (2004):

아이작 아시모프의 '로봇 3원칙'으로 유명한 로봇은 인간을 해칠 수 없다는 내용의 소설을 기반으로 했다. 영화에서는 일부 로봇이 지각력을 갖게 되며 생기는 사건을 다루고 있다. 이는 인간과 로봇의 갈등을 다룬 AI와 머신러닝에 대한 묘사다.
소설
작품명: 로봇과 인간(I, Robot)
저자: 아이작 아시모프(Isaac Asimov)
출판 연도: 1950년
주요 내용: 로봇 3원칙을 지키며 살아가는 로봇들이 인간과 함께 살아가는 미래 사회를 배경으로, 로봇과 인간의 갈등을 그린 이야기
수상: 휴고상
영화
작품명: 아이, 로봇(I, Robot)
감독: 알렉스 프로야스(Alex Proyas)
주연: 윌 스미스(Will Smith), 브루스 그린우드(Bruce Greenwood)
출시년도: 2004년
주요 내용: 로봇 3원칙을 지키며 살아가는 로봇들이 인간과 함께 살아가는 미래 사회를 배경으로, 로봇과 인간의 갈등을 그린 이야기
수상: MTV 무비 어워드, 블록버스터 어워드

엑스 마키나 (2015): 여성형 AI 로봇 에이바가 인간의 속셈을 파악하고 거꾸로 이용, 자유를 얻는다는 플롯의 영화. 영화에 등장하는 검색 엔진 기업 '블루북'과 창업주, 그리고 AI 테스트 과정 등은 거대 AI기업의 현실판과 같다. 아카데미 시각효과상을 수상했으며, 각본상 후보에 올랐다.

블레이드 러너 (1993): 리들리 스콧 감독의 걸작으로 필립 K. 딕의 소설 '안드로이드는 전기양을 꿈꾸는가'가 원작이다. 역사상 가장 영향력 있는 SF 영화 중 하나라고 무비웹에서 표현했다.

인간과의 경계가 모호할 정도로 정교한 안드로이드를 등장시켜 여러 메시지를 담아냈다.
작품: "블레이드 러너" (Blade Runner)
감독: 리들리 스콧
주연: 해리슨 포드
주요 내용: 이 작품은 사람과 똑같이 생긴 인공지능인 안드로이드와 그들을 추적하고 제거하는 블레이드 러너라는 직업을 가진 주인공의 이야기를 다룹니다. 고도로 발달한 AI 기술과 인간의 윤리적 질문을 탐구한 작품으로, 사이버펑크적인 분위기와 철학적인 내용이 특징입니다.
수상: 본 작품은 아카데미 시상식에서 시각 특수효과 부문 등 2개의 상을 수상했습니다.

월-E (2008): 텅 빈 지구에 홀로 남아 수백 년 동안 쓰레기를 처리하던 로봇이 매력적인 탐사 로봇과 만나 자신의 목표를 위해 모험을 펼친다는 내용이다.
터미네이터 (1988): 스카이넷이라는 초인공지능의 등장과 인간과 로봇과의 우정 등을 다뤘다. 무비웹은 'AI 영화의 가장 완벽한 예'라고 표현했다.

(3) 메타버스, AI
매트릭스 (1999): AI 영화의 클래식. 매트릭스는 이제 '메타버스'라는 말처럼 들린다.

주인공을 '바이러스'라고 매트릭스 요원이 부르는 점이 아이러니하다.
작품명: 매트릭스(The Matrix)
감독: 워쇼스키 형제(Lana Wachowski, Lilly Wachowski)
주연: 키아누 리브스(Keanu Reeves), 캐리-앤 모스(Carrie-Anne Moss)
출시년도: 1999년
주요 내용: 인간이 컴퓨터에 의해 가상현실에 속박되어 있다는 사실을 알게 된 주인공이 컴퓨터로부터 인류를 구하기 위해 투쟁하는 이야기
수상: 아카데미시각효과상, 아카데미편집상

15. 결론
양자 컴퓨터는 최적화, 분자 모델링, 패턴 인식 및 머신 러닝과 같은 분야에서 상용화될 가능성이 높습니다. 그러나 양자 컴퓨터를 상용화시키기 위해서는 여전히 기술적인 문제들을 극복해야 합니다. 양자 상태를 유지하는 기술, 큐비트 간의 상호작용 제어, 오차 수정 및 노이즈 제거 등의 기술적인 문제들은 여전히 해결되지 않은 부분이 있습니다. 양자 컴퓨팅은 아직 개발초기 단계에 있지만, 그 영향력과 잠재력은 무궁무진합니다. 이 기술을 활용하면, 우리는 복잡한 문제를 더 빠르게 해결할 수 있을 것입니다. 그러나 이 기술을 효과적으로 활용하기 위해서는, 우리는 양자 컴퓨팅의 원리와 한계를 이해하고, 이에 대한 적절한 대응 전략을 마련해야 합니다.
현재 사용되고 있는 거의 모든 보안 시스템은 NSA(미국 국가안보국)에서 인증한 RSA 표준 암호화 알고리즘을 사용하고 있다. 오히려 이 보안 시스템 또한 양자 컴퓨터의 등장으로 금융과 국가의 보안 체계에 치명적 리스크가 현실화될 수 있다는 것이다. 이에 대한 대안으로 양자 통신 기술이 대안으로 연구되고 있다.
한국이 따라잡기 위해서는 국가연구기관, 특히 양자 분야와 가장 밀접한 연관이 있는 표준연구기관과 대학의 협력이 필요합니다. 연구기관이나 대학 독자적으로 이러한 연구를 수행하는 데는 여러 가지 한계가 따를 수밖에 없기에 인적·기술적 협력이 양자컴퓨터 연구에서는 무엇보다 중요합니다. 기술강국 미국이 어떻게 양자컴퓨터 분야 연구를 활성화하고 노벨상까지 배출했는지를 눈여겨 살펴봐야 합니다. 국익중심의 세계구도 속에서 유일하게 살아남을 과학기술의 지속적인 연구와 투자가 지속되어야 합니다.
양자컴퓨터의 기술 발전을 통해 미래의 기술 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 치열한 기술경쟁을 통해 선두에 설 수 있도록 해야 우리의 삶을 더욱 편리하고 풍요롭게 만들 수 있습니다.