“양자컴퓨터는 IT세계의 미래 핵무기이다." (Quantum computers are the future nukes of the IT world.)

양자 기술(Quantum Technology)이 이론 연구 단계를 지나 실용화 단계로 접어들고 있다. 미국은 양자 산업 육성을 위한 법률을 준비하고 있다. 양자컴퓨터, 양자시뮬레이터, 양자암호통신, 양자 센서 및 계측 분야에 앞으로 5년간 총 8억달러를 투자할 계획이다. 중국은 양자암호통신 위성 발사에 성공했다고 발표했다. 또한 안후이성 허페이시에 100억달러를 투자하여 세계 최대의 양자연구소 건설을 추진하고 있다. 우리나라는 2017년에 양자정보통신 중장기 기술개발 사업을 추진했지만, 경제성이 떨어지고 연구인력이 부족하다는 이유로 무산되었다.

지멘스는 최근에 최초의 상업용 양자 암호칩을 개발했다고 발표했다. SK텔레콤은 세계에서 가장 작은 크기의 양자난수 생성 칩 개발에 성공했다고 발표했다. KT는 2017년에 우면동 융합기술원에 양자정보통신 기술 개발을 위한 테스트베드를 개소했다. 구글은 2018년 3월에 양자기술을 이용한 브리슬콘이라는 72큐비트칩을 공개했고, 오류율을 1% 미만으로 실현했다고 발표했다. 삼성전자도 양자 기술을 적용한 반도체 개발을 진행하고 있다. 2017년에 IBM은 상용 양자컴퓨터인 Q시스템을 출시할 것이라고 발표한 바 있다.

양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터를 뛰어 넘는 컴퓨팅 파워 도약을 만들어낼 기술이다. 기존 기술로는 하나의 비트에 0 또는 1의 상태만 보관할 수 있다. 양자 기술은 큐비트를 기준으로 한다. 큐비트에는 0과 1보다 더 많은 상태를 관리할 수 있다. 이는 컴퓨터의 능력이 기하급수적으로 향상될 수 있다는 뜻이다. 실제로 양자기술이 실현되면 실생활의 다양한 분야에서 혁신을 초래할 것으로 전망되고 있다.
 

 [표 1] 양자컴퓨터 활용이 기대되는 분야 (출처: IITP 보고서에서 재인용)

양자기술은 양자의 특성(불확정성, 중첩성, 비가역성, 얽힘 등)을 이용하여 정보보호의 한계와 측정정밀도의 한계, 계산 능력의 한계를 극복하기 위한 미래기술이다. 양자는 물리학에서 더 이상 작게 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위를 가진 입자 상태를 의미하는데, 구체적으로 특정한 입자를 지칭하는게 아닌 에너지를 가진 덩어리를 뜻한다.
 

[그림 1] 양자의 개념 (출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

양자 기술은 정보의 기본 단위로 큐비트(qubit)를 사용한다. 이는 디지털 정보 단위인 비트(bit)와는 다른 개념이다. 0 또는 1이라는 고정 값으로 표기되는 비트와 달리 어느 특정한 값을 가지지 않고(불확정성), 0과 1을 동시에 가질 수 있다(중첩성).

[표 2] 디지털 기술과 양자 기술의 비교
(출처: ETRI(2018), 양자컴퓨팅 기술, 日本経済新聞 (2017), 量子コンピューターで開発、製造大手が相次ぎ導入)

디지털 신호의 경우 변조하더라도 본디 상태로 복원이 가능하지만, 양자 신호는 복원이 불가능하다(비가역성). 이 외에도 공간적으로 떨어져 있는 두 물체 간 상태를 공유하는 특징(얽힘)이 모여 해킹 불가능한 정보통신 네트워크를 구축하고 보다 정밀한 측정을 가능하게 하며 백년 걸릴 계산을 분 단위로 단축시킬 수 있다. 양자 기술은 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센서 및 정밀 계측 등의 분야에 적용된다.

 

 
[그림 2] 양자정보통신기술
(출처: SKT 보도자료(2017), SK텔레콤, 손톱 보다 작은 초소형 양자난수생성 칩(chip) 개발)

양자컴퓨팅

양자 고유의 중첩 원리에 따라 다수의 정보를 동시에 초고속으로 처리할 수 있는 새로운 개념의 컴퓨터로, 소인수 분해 등 특정분야 연산에 있어 슈퍼컴퓨터보다 빠른 정보처리가 가능하여 보다 정밀한 기상 예측정보 등을 제공할 수 있다. 초기엔 슈퍼컴퓨터 연산을 위한 보조프로세서로 활용되었으나 점차 슈퍼컴퓨터의 중추적 형태로 발전될 전망이다. 범용 양자컴퓨터는 ‘20년대 중반 연구개발용으로 시작되어 ‘30년경 상용화될 전망이다. 미국의 경우 글로벌 ICT기업(IBM, Google, MS, Intel 등)을 중심으로 기술 개발이 활발하게 진행 중이다.

  

[그림 3] 양자컴퓨터 계산 원리
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

 

[표 3] 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터 비교
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

양자암호통신

양자암호란 중첩성, 비가역성 등을 이용하여 송·수신자간 비밀키를 안전하게 교환·분배하여 암호화된 중요정보를 복호화하며 도감청 여부를 식별할 수 있는 기술을 말한다. 양자의 특성을 적용한 암호키를 이용하면 해킹이 불가능한 정보 통신 네트워크를 구축·운영 가능하다. 보안이 중요시 되는 국방, 국가 공공 인프라, 금융 등에 양자 암호통신 적용 필요성이 증대되고 있는 만큼, 보안성 강화가 시급한 분야부터 점진적 적용이 예상된다. 미국, 캐나다, 유럽, 중국 일본 등의 선진국은 광케이블을 이용한 양자암호통신 시스템 구현 기술을 이미 확보한 상태로 후속 연구를 추진 중이다.
 

[그림 4] 양자암호 기술 개념
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

 

[표 4] 양자암호통신과 기존 통신기술 비교
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

양자센서(양자소자/계측)

전자기장, 중력, 빛등의 영향에 따른 양자 상태 변화를 이용하여 초정밀 계측을 가능하게 하는 기술을 말한다. 양자 얽힘 현상을 적용하여 측정 정밀도를 100배 이상 향상시킬 수 있으며, 반도체 미세공정의 한계를 극복할 수 있다. 양자소자는 중력 센서, 이미지 센서, 전자기 센서, 암호통신용 단일광자 측정 센서 등에 우선 적용될 것으로 예상된다. 선진국에서는 이미 양자초정밀 센서(중력센서, 이미지센서 등) 기술 구현 가능성을 확인한 상태이며 현재 상용화 기술을 개발 중이다.

  
[그림 5] 초정밀 양자계측 원리
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

  

[표 5] 양자센서와 기존센서기술 비교
(출처: 미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서)

양자기술 전망

양자기술의 가능성과 영향력을 가늠해 보았을 때, 피할 수 없는 변화임에 틀림없다. 국내 대기업의 경우 글로벌 기술 커뮤니티¹에 참여하거나 스타트업을 인수²함으로써 주요 선진국과의 기술 격차를 좁혀가고 있으나 이 외 중소기업이 이를 단행하기엔 리스크가 크다. 현재 기술의 초기 개발 시점임을 감안할 때, 투자를 감행하기 보단 기술의 성숙도를 살피고 미래 활용 방안을 검토하는 것이 바람직하다.

 

1: IBM Q Network : 양자컴퓨터를 발전시키고, 실용적 애플리케이션을 탐구하기 위해 IBM과 협력하고 있는 글로벌 기업과 스타트업, 국가 연구기관 등으로 구성된 커뮤니티로 국내 기업의 경우 Samsumg이 파트너로 참여 중이며, 은행으로는 JP Morgan과 Barclays가 각각 파트너와 멤버로 참여 중

2: 2018년 SKT가 양자암호통신 1위 스타트업으로 평가받는 IDQ 인수

 

- 끝 -

<참고>
정보통신기술진흥센터(2016), 주간기술동향
정보통신기술진흥센터(2018), 양자컴퓨터 개발 동향과 시사점

미래창조과학부(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 사업기획보고서
한국과학기술기획평가원(2016), 양자정보통신 중장기 기술개발 사업 예비타당성조사 보고서

 ETRI(2017), 양자 통신/컴퓨터 도메인 분석: 시장전망 및 기술개발사업 타당성 분석
Science Times(2004), 인류 역사상 가장 정확한 이론, 양자역학
American Banker(2017), JPMorgan Chase, Barclays join IBM quantum computing network
American Banker(2018), Why banks like Barclays are testing quantum computing