[포커스온] 국내 양자 기술(Quantum Technology) 개발 동향

양자 컴퓨팅 기업 연합체 구성 등 본격적인 행보 시작

초고속 연산(양자 컴퓨팅), 초 신뢰 보안(양자 통신), 초정밀 계측(양자 센서)을 가능하게 하는 혁신 기술로서 전 산업 분야의 혁신을 주도할 양자 기술(Quantum Technology)이 주목받고 있다.

이에 양자 기술의 특장점 및 활용 분야를 제시하고 한국의 양자 기술 수준을 진단하고, 양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 관련 글로벌 기술 시장을 주도하고 있는 대표적인 플랫폼의 특징에 대해 소개한다.

양자 기술 동향을 살펴보기 위해서는 플랫폼 소프트웨어의 개발 동향을 심층 분석하여 하드웨어 독립성, 프로그램의 확장성 및 재사용성, 최적화를 위한 자원 추정과 분석에 집중할 필요가 있다.

특히 국내 양자 컴퓨팅 기술 개발 주요 프로세스를 토대로 지속적인 기술 개발 및 정책 추진에 집중하여 글로벌 기술 시장 진출을 위한 기반을 마련해야 한다. 이와 관련해 필자가 참여하고 있는 양자 컴퓨팅 기술 개발의 주요 프로세스도 공유한다.

국내 양자 기술 현황

양자 기술은 특히 연산·보안·계측 분야에서 기존 기술력의 한계를 뛰어넘는 획기적인 혁신 기술로 반도체를 포함한 미래 전 산업 분야의 혁신을 주도할 게임 체인저로 인식되고 있다.

양자 컴퓨팅 기술은 현재의 컴퓨터보다 30조 배 이상 빠른 연산이 가능한 것으로 평가받고 있다. 2048bit RSA 공개키 암호를 푸는 데 슈퍼컴퓨터는 100만 년 이상, 최고 수준 양자컴퓨터는 1초가 소요되는 것으로 알려져 있다.

양자 통신 기술은 해킹을 원천적으로 차단할 수 있어 고신뢰성을 갖는 정보 보안을 가능하게 할 것이다. 2017년 중국이 세계 최초로 1200㎞ 거리의 양자 통신 실험에 성공함으로써 상용화에 가장 근접한 기술로 평가받고 있다. 양자 통신 기술은 도청 및 감청 시도가 있으면 정보 자체가 변해버려 해킹이 사실상 불가능하다. 한국과 양자 통신 선도국인 중국과의 기술 격차는 1.6년으로 평가된다.

양자 센서 기술은 미세한 자기장·온도·중력 변화까지 감지할 수 있는 초정밀 측정이 가능하여 반도체 및 배터리 설계와 결함 분석 등 제조업 공정에도 큰 변화를 줄 것으로 예상된다. 장거리·초정밀 측정이 가능하여 군용 전자 산업 분야에 매우 유용하게 활용될 것으로 전망된다.

이처럼 양자 기술은 매우 다양한 산업 분야(제약·화학, 자동차, 에너지, 항공·우주, 인공지능, 금융, 교통·물류, 제조·반도체, 바이오·의료, 국방·안보 등)에 적용되어 그 우수성을 입증하게 될 것이다. 이를 통해 미래 산업과 경제 전반에 획기적인 기술 혁신을 기대하고 있다.

정부의 ‘양자 기술 연구 개발 투자 전략’의 핵심은 다음의 4가지로 요약할 수 있다.

• 양자 기술의 3대 핵심(양자 컴퓨팅·양자 통신·양자 센서) 기술별 도전적 원천 기술 개발 강화

• 2024년까지 50큐비트(qubit)*급 한국형 양자 컴퓨팅 시스템 조기 구축
(*quantum bit: 양자 컴퓨터로 계산할 때의 기본 단위로서 일반 컴퓨터는 정보를 0과 1의 비트 단위로 처리하고 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 정보를 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위로 처리하고 저장한다.)

• 2030년까지 양자 핵심 연구 인력을 현재 약 150명 수준에서 1000명까지 확대

• 주력 산업 중심으로 민관 파트너십 기반의 문제 해결 프로젝트 추진

한국의 양자 기술 수준은 10년 이상 지속적인 투자를 통해 글로벌 양자 기술을 선도하고 있는 유럽 대비 약 81.3% 수준으로 국내 전체 ICT 내에서도 최하위 수준이다.

정보통신기획평가원이 2019년 발표한 ICT 기술수준 조사에 따르면 국내 ICT 분야별 기술 수준은 최선도국 기준으로 이동 통신 97%, IoT 92.3%, AI 87.4%, 양자 기술 81.3%, ICT 평균 87.4%로 나타났다.

주요국의 양자 기술 상대 수준 비교에서는 최선도국인 유럽을 기준으로 한국 81.3%, 미국 99%, 일본 90.4%, 중국 93.2%로 주요 국가 대비 한국이 뒤처져 있는 것을 알 수 있다. R&BD 투자 규모도 전용 사업 기준으로 2019년 106억 원에서 2021년 326억 원으로 확대하였으나, 여전히 선도국 대비 크게 미흡한 실정이다.

양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 개발 동향

최근 양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 관련 글로벌 기술 시장을 주도하고 있는 대표적인 플랫폼으로는 Forest, Qiskit, ProjectQ, ScaffCC, XACC, t|ket>, OpenQL 등과 같은 양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 내 큐비트 배치, 스케줄링, 최적화를 수행하는 컴파일러들이 있다.

글로벌 양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼별 특징을 정리하면 다음과 같다.

Forest
• 어셈블리 언어(Quil)를 제공하고, 고급 언어(pyQuil)로 프로그래밍에 접근
• Aspen 128큐비트 규모의 성능이 공개, 이 장치와 연동된 다수의 플랫폼 존재
• 위상을 반영한 컴파일러를 제공하고 잡음 반영 모의시험을 진행
• 성능 정보는 무작위 벤치마킹과 양자 오류 수정을 위한 안정기(Stabilizer) 모의시험 진행 상황이 공개되어 양자 오류 정정 분야에서도 좋은 참조가 되고 있음

Qiskit
• IBM QX(Quantum Experience) 양자 클라우드를 통해 171개국에서 10만 명 이상의 사용자 확보
• 2019년 기준 530만 건 이상의 양자 디바이스 실험과 1200만 건 이상의 가상 시험을 수용
• 중국과 기술 우위 경쟁 중이며, 모의시험은 Qiskit Aer상에서 50큐비트 이상의 시험이 진행
• slack 채널을 통해 다양한 문제 해결과 자료 공유도 활발하여 최신 정보에 좋은 참조가 되고 있음

ProjectQ
• 양자 컴퓨팅 도구에서 임베디드 언어, 시뮬레이터, 에뮬레이터, 자원 분석기, 하드웨어 등의 백엔드를 고려
• 하드웨어에 구애되지 않는 상위 수준 컴파일러 최적화를 통해 계층화된 방법론으로 모듈화와 유연성을 제공
• 2020년 대형 함수에 대해 공간 복잡성을 25% 수준으로 줄이는 방식을 적용하여 보조 큐비트 레지스터 초기화 문제를 해결

ScaffCC
• 미국 프린스턴대학교에서 개발한 LLVM(Low Level Virtual Machine) 기반 확장형 컴파일과 분석 프레임워크
• 양자 프로그램 정확도 검사와 데이터 흐름 추적 등 분석 단계에 중점을 두고 개발
• 수조(trillion) 개 수준의 명령이 포함된 프로그램까지 처리하도록 설계되어 확장성이 좋은 참조 사례
• 보조 큐비트의 상태 복귀를 위한 다양한 연구 기법으로 좋은 참조가 되고 있음

XACC(eXtreme-scale Accelerator Programming Framework)
• 미국 에너지부의 지원으로 오크리지국립연구소에서 개발한 시스템
• 양자-고전 컴퓨팅 작업을 호스트 CPU에서 연결된 양자 가속기로 보내어 계산하고 요청한 시스템으로 다시 보내는 방식의 양자-고전 상호 작용을 최적화하도록 적용
• XACC에 정의된 가속기, 명령어, IR 변환, 컴파일러, 알고리즘 등에 대해 서비스 인터페이스를 제공하는 SOA(Service-Oriented Architecture)를 통해 모듈 확장성을 제공
• 호스트 컴퓨터와 양자 제어 시스템 모두가 접근할 수 있는 공유 메모리 모델 및 비동기 실행 모델을 사용

t|ket>
• 영국 캠브리지양자센터의 LLVM 유형을 따라 구현되어 양자 언어에 구애되지 않고 다양한 하드웨어에 맞춘 교차 컴파일러 역할을 할 수 있는 플랫폼
• NISQ* 하드웨어에 대한 코드를 생성하도록 설계되고 컴파일러의 최적화 패스 조합에 대한 정확성 보장을 위해 Hoare Triple* 개념을 적용
(*NISQ: 잡음이 있는 중규모 양자 컴퓨팅, 약 50에서 수백 큐비트를 포함하지만 내결함성에 도달할 만큼 충분히 진보되지 않았고, 양자 우위로부터 지속 가능한 이익을 얻을 만큼 충분히 크지 않은 양자 프로세서 수준을 이름)
(*Hoare Triple : 프로그램의 정확성 추론을 위한 논리 형식 중 코드 실행이 계산 상태를 변경하는 방법을 설명함. 사전 조건 P, 일련의 프로그램 문장 S, 사후 조건 Q로 구성되며 {P}S{Q} 의미는 S가 실행되기 전에 P가 참이고, S의 실행이 종료되면, 사후에 Q가 참임을 나타냄)
• Qiskit, Cirq, PyQuil, ProjectQ, PyZX 등 다양한 기존 플랫폼과 연동되어 성능 자료를 포함한 좋은 사례

OpenQL
• 네덜란드 QuTech와 델프트공대에서 구현한 상위 수준의 양자 프로그래밍 프레임워크로서 두 큐비트 기술에서 동일한 고수준 알고리즘을 실행
• 큐비트 기술별로 장비를 제어하는 마이크로 명령어 구조까지의 연동이 이루어져 실질적인 연구가 활발하게 이루어지고 있는 사례
• 2021년 QBeeX에서 슈퍼컴퓨터(QBeeSim) 기반 모의시험으로 유전체 염기 서열 분석과 금융 분야에서의 효과적인 양자 알고리즘 개발에 기여

국내 양자 컴퓨팅 기술 개발 추이

국내 양자 컴퓨팅 기술 개발은 2022년 6월경부터 정부 주도로 산·학·연*이 협력하는 방식으로 본격화되고 있다.
(*정부-과학기술정보통신부, 연-한국과학기술정보연구원 국가슈퍼컴퓨팅본부 초고성능컴퓨팅정책센터, 학-성균과대학교 양자정보연구지원센터, 산-다양한 산업체 등)

정부 주도의 양자 컴퓨팅 기술 개발 주요 프로세스를 2022년 6월 초부터 올해 3월 초까지 시계열적으로 간단히 요약하면 다음과 같다.

■ 2022.06.02. 과학기술정보통신부 ‘양자 컴퓨팅 활용 기업 연합’ 참여 기업 모집
• 양자 컴퓨팅 기술을 국가 필수 전략 기술로 선정, 집중 육성
• 양자 컴퓨팅 조기 상용화를 위한 활용 생태계 조성이 목표(HW 개발, 응용 분야 발굴, 솔루션 개발 및 사용자 확보 등)
• 양자 컴퓨팅 기술의 산업체 활용을 통해 새로운 서비스 산업 창출 기반 마련

■ 2022.06.09. ‘양자 기술 선도 국가 대도약’ 비전 선포식 개최
• 양자 컴퓨팅 활용 기업 연합의 발족 서명식(임원급 참가자 서명) 개최
• 국내 산학연 협력 방안 간담회

■ 2022.06.22. ‘양자컴퓨터 활용 기업 연합’ 창립 총회 개최
• 2022 양자정보주간 개시년도 선포
• 국내외 양자 정보 분야 글로벌 기업 소개 등
• 양자정보주간 관련 웹사이트 www.qweek.kr 개설

■ 2022.07.19. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합 이사회 모집
(한국과학기술정보연구원 초고성능컴퓨팅정책센터)
• 협약식과 양자주간 등을 통한 관심 기업 대상

■ 2022.07.22. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합 이사회
• 양자 컴퓨팅 산업 생태계 조성을 위한 이사회 구성
• 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합의 역할
  -양자 컴퓨팅 활용 유용 사례 및 비즈니스 모델 발굴
  -이를 실증하기 위한 정부 R&D 사업 추진
  -민관 공동 프로젝트 등 탐색 및 제안
  -국내 양자 컴퓨터 구축 사업 관련 자문, 양자 컴퓨팅 HW 성공적인 개발과 운용에 협력
  -양자 컴퓨팅 사업화와 활용 활성화를 위한 제도 개선 사항 발굴
  -국내외 협력 체계 구축 및 저변 확대 노력 등

■ 2022.08.02. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합 이사회 선정
• 이사회 예정 정원을 초과하여 이사회 선정 투표 진행

■ 2022.08.05. 양자 정보 과학 기술 분야 국내 전문 인력 전수 조사 참여 요청
• 참여 기업의 양자 정보 분야 전문 인력 현황 공유

■ 2022.11.06. '제2차 K-퀀텀스퀘어미팅(2022.11.29)' 초대
• 과학기술정보통신부 주최, 한국연구재단 및 양자정보연구지원센터 주관
• 국내 양자 기술 관련 산·학·연·관 교류 소통 및 커뮤니티 활성화 목적
• 양자 분야 연구·산업 동향과 지원 정책 및 사업 조망
• 관련 기업, 연구 기관(학·연), 지원 기관 관계자 네트워킹

■ 2023.01.03. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합 러시아 수출입 현황 요청

■ 2023.01.27. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합, 국가 전략 기술 산업 분야 지원 강화를 위한 정책 금융 자금 요청 수요 조사

■ 2023.01.13. 양자 컴퓨팅 기술 개발 참여 의향 조사
• 예타 사업의 참여 의향서 관련, 기업의 관심과 의지를 확인하는 목적
• 참여 기업의 적극적인 검토 권고

■ 2023.02.16. ‘양자과학기술 플래그십 프로젝트' 공청회 개최

■ 2023.02.24. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합, 양자 과학 기술 규제 및 제도 개선 필요 사례 조사
• 국가 양자 비전 및 발전 전략에 수립
• 양자 과학 기술 연구 현장에 자율성과 창의성을 확대하여 연구에 몰입할 수 있는 환경 조성
• 양자 과학 기술 연구 개발의 주요 규제 및 제도 개선 필요 사례 조사를 통한 향후 제도 개선방안 도출

■ 2023.02.28. '양자 컴퓨팅 기반 양자 이득 도전 연구' 사업 설명회
• 한국연구재단: 2023년 4월 착수 예정 양자 컴퓨팅 기반 양자이득 도전연구 사업 설명회 및 컨소시엄 구성을 위한 수요처-공급처 간 네트워킹 행사 개최
• 과학기술정보통신부·한국연구재단, 한국과학기술정보연구원 주관

■ 2023.03.03. 민관 협력 사항 조사 요청
• 참여 기업의 양자 컴퓨팅 관련 현황 및 정부-기업 협력 사항 제안 조사
• 2023년 3월 7일 단톡방을 통해 의사소통

■ 2023.03.20. 양자 컴퓨팅 산업 선도 기업 연합, 양자 이득 실증 사업 관련 참고 자료 공유
• ‘양자 컴퓨팅 기반 양자이득도전연구’ 사업 관련 기업 참여 부담금 계산을 돕기 위한 파일 공유

■ 이후 프로세스 계속 진행 중

양자 컴퓨팅 상용화를 위한 해결 과제

양자 기술은 매우 다양한 응용 분야(생화학·금융·에너지·자동차·기후·물류·AI 등)에서 기존의 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 난제를 해결할 수 있는 인프라를 제시하고 있다.

향후 1~2년 이내에 1천 큐비트 이상의 양자컴퓨터 하드웨어 시스템이 개발될 수 있을 것으로 예상하고 있다. 이를 효과적으로 구현하기 위해서는 큐비트의 단점으로 지적되고 있는 짧은 결맞음 시간과 높은 에러율 등을 보다 조기에 해결할 수 있는 개발 전략이 필요하다.

한편, 양자 컴퓨팅 소프트웨어는 여러 기업과 대학에서 전체 소프트웨어 스택 구조(양자 프로그래밍 언어·양자 컴파일러·양자 시뮬레이터 등)로 연구 개발이 진행되고 있다. 특히 다양한 양자 알고리즘을 보다 효과적으로 표현할 수 있는 양자 프로그래밍 언어와 양자 컴파일러의 경우, 전술한 큐비트의 문제점 해결 방법에 대한 연구가 필요한 상황이다.

양자 컴퓨팅 소프트웨어 플랫폼 관련 글로벌 기술 시장을 선도하고 있는 플랫폼 소프트웨어의 개발 동향을 심층 분석하여 하드웨어 독립성, 프로그램의 확장성 및 재사용성, 최적화를 위한 자원 추정과 분석에 집중할 필요가 있다.

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