KAIST, 제6회 글로벌전략연구소 「양자정보기술」 온라인 국제포럼
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KAIST, 제6회 글로벌전략연구소 「양자정보기술」 온라인 국제포럼
  • 고현석 기자
  • 승인 2022.04.23 01:54
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[KAIST 국제포럼 지상중계]
- 신 성장 혁신 동력으로 양자정보기술의 현황과 미래 전망
- 세계적인 이론물리학자 존 프레스킬(John Preskill) 美 칼텍 교수 기조강연
- IBM 퀀텀의 제리 초우, 김정상 듀크대 교수 등 관련 분야 전문가 참석

 

KAIST는 ‘과학기술 혁신을 주도할 차세대 게임 체인저, 양자정보기술(Quantum Technology: The Next Game Changer?)’이라는 주제로 제6회 글로벌전략연구소(Global Strategy Institute, 이하 GSI) 온라인 국제포럼을 4월 20일(수) 개최했다.

양자 정보 기술은 ‘미래 산업의 핵’, ‘꿈의 컴퓨터’, ‘차세대 방패’ 등으로 불리며 글로벌 화두로 부상한 신성장 혁신 동력이다. 과학기술정보통신부는 양자 기술의 경쟁력 강화와 양자 산업 활성화를 지원하는 ‘정보통신진흥 및 융합 활성화 등에 관한 특별법 개정안‘을 지난해 시행했다. 

이런 흐름에 맞춰 인공지능과 양자컴퓨팅 기술을 접목하려는 시도가 증가하고 있으며, 금융·의료·제약·교통·물류·소프트웨어 등 산업계 전반에 걸친 융합이 요구되고 있다. 또한, 이를 통한 새로운 비즈니스 발굴을 토대로 산업 경쟁력을 강화하는 방법이 모색되고 있다. 

우리나라가 양자 정보 기술 분야의 원천 기술 확보하고 첨단 기술과의 격차를 줄일 수 있는 전략적 대응 방안을 논의하는 이번 포럼에서는 미래의 ‘게임체인저’로서 양자 정보 기술을 조명했다. 

시장 현황 및 전망은 물론 금융·사이버 보안·블록체인·국방 분야에 다양하게 적용된 양자컴퓨터·양자암호통신·양자센서 및 계측 기술에 관한 국내·외 사례를 다뤘으며, 또한 양자 정보 통신 관련 전문가 양성 및 핵심 인재 확보 방안과 ‘양자 혁명’과 양자 기술의 상용화를 추진할 스타트업 지원 방안을 논의했다.

이를 위해, 이론물리학 분야의 세계적인 석학인 존 프레스킬(John Preskill) 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology) 교수가 기조 연설자로 나서 양자컴퓨팅의 미래와 전망에 관해 국내 연단에서 최초로 강연했다.

첫 번째 세션에서는 양자컴퓨터의 선두 주자인 IBM의 제리 초우((Jerry M Chow) 양자 인프라 개발 부문 이사를 통해 혁신 성장 동력으로서 양자컴퓨터의 기회와 도전과제에 대해 다뤘으며, 마지막 세션에서는 미국의 대표적인 양자 컴퓨터 스타트업 기업 아이온큐(IonQ)의 공동설립자 김정상 듀크 대학교 교수를 초청해 ‘양자 혁명’과 양자 기술의 상용화를 추진할 스타트업을 주제로 논의를 진행했다.

이와 함께, 김재완 고등과학원 부원장, 이준구·손영익 KAIST 전기및전자공학부 교수, 안드레아스 하인리히 기초과학연구원(IBS) 양자나노과학 연구단장이 패널로 참여해 연설자들과 열띤 토론을 펼쳤다. 아래 주요 연사의 발표 내용을 요약했다.

 

KAIST <과학기술 혁신을 주도할 차세대 게임 체인저, 양자정보기술> 국제 온라인 포럼 주요 연사들. (좌측부터) 존 프레스킬 칼텍 교수, 제리 초우 IBM 양자 인프라 개발 부문 이사, 김정상 듀크 대학교 교수

■ 포럼 주제

o 미래의 ‘게임체인저’로서 양자정보통신 시장 현황 및 전망 
o 의료, 금융, 사이버 보안, 블록체인, 가상화폐, 인공지능, 물류 및 로봇공학, 생산 및 산업디자인, 농업, 국방 분야의 다양한 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센서 및 계측 기술 활용 증대를 위한 국내·외 사례  
o 미국, 중국, 유럽, 일본 정부의 양자정보통신 기술 정책과 시사점 
o 팍스 테크니카 시대 글로벌 기술경쟁력 향상을 위한 양자정보통신의 혁신과 기술표준 및 지식 재산 획득 및 관리 대응 방안 
o 양자정보통신 관련 전문가 인재 양성 및 핵심인재 확보 방안과‘양자 혁명’과 양자 기술의 상용화를 추진 할 스타트업 지원 방안

o 국가 미래 핵심기술로서 양자컴퓨팅의 산업 경쟁력 비교 우위 확보 방안 및 중장기 전략 

 

■ 세션 I: 혁신성장동력으로서 양자암호통신와 양자센싱기술의 도전과 전망

▶ 제리 초우 박사 (Dr. Jerry M Chow)

ㅇ 저는 오늘 양자역학이 어떠한 잠재력을 가지고 있고, 우리 미래을 어떻게 이끌어 갈지에 대해 간단하게 말씀드리겠습니다. 특히 양자컴퓨팅에서 구체적으로 어떠한 진전들이 이루어지고 있는지 논의하겠습니다. IBM은 1970년대부터 수십년 간 양자컴퓨팅 분야에서 주도적인 역할을 해왔으며, 배넷 박사와 같은 분의 연구를 토대로 많은 성과들을 만들고 있습니다. 특히, 2016년 5월 최초로 양자컴퓨터를 클라우드화 시키는 데 성공하였으며, 5 큐비트 시스넴이라고 말할 수 있습니다. 이를 토대로 지난 6년간 양자컴퓨팅 생태계의 진보와 발전을 이끌어 왔습니다. 예를 들어, 5 큐비트 프로세서를 개발하였으며, 이를 통해 여러 가지 클라우드를 동시에 구동할 수 있게 하는 시스템입니다. 그리고 이러한 성과들을 실제 현장에 적용하려고 노력하고 있습니다. 20개 이상의 오퍼레이션 시스템을 구축하여 41만 명 이상의 사용자가 함께 참여하고 있으며 저희 IBM 퀀텀 179개를 구동하고 있습니다. 전 세계적으로 실제 구동하는 횟수는 35억 건이 넘어서고 있습니다. 양자컴퓨팅이 실제로 비즈니스 영역에서 중대한 역할을 하고 있다고 자부합니다. JP Morgan Chase나 삼성과 같은 179개의 세계적인 파트너사와 함께 교육을 포함한 양자컴퓨팅 생태계를 이끌고 있습니다. 양자컴퓨팅의 로컬시스템을 보시면, 현재 기하급수적인 성장을 확인할 수 있습니다. 

현재 지난 가을, 워싱턴에 있는 클라우드 시스템에서 활용가능한 가장 큰 큐비트 시스템은 127 큐비트 시스템입니다. 이 시스템은 저희 IBM 이글프로세서 제품군으로서 상당한 성과를 만들 수 있는 매트릭스이고 상당한 속도를 낼 수 있는 알고리즘으로 포함하고 있습니다. 지금까지 저희가 구축한 시스템에 대해 간단하게 말씀드렸습니다. 

저희는 IBM 퀀텀이 실질적으로 기존의 전통적인 우수한 수퍼컴퓨터에 비해 상당한 성과를 낼 수 있는 영역을 구분했습니다. 첫 번째로 자연계에 대한 시뮬레이션입니다. 자연현상, 화학반응에 대해 더 정교하게 시뮬레이션함으로써 부식현상, 배터리, 촉진제, 효소설계 분야에 양자컴퓨팅의 역할은 매우 중요하리라 생각합니다. 두 번째 분야는 구조화된 데이터인데, 머신러닝 분야와 결합했으면 엄청난 힘을 발휘할 수 있습니다. 비구조화된 데이터라든지, 가짜데이터에 대한 추적이 가능하리라 생각합니다. 셋째로 비기수적인 부분에서 응용화가 될 것입니다. 양자컴퓨팅을 사용하여 우리 사회가 직면한 실제적인 문제들을 해결하는 데 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대합니다. 예를 포트폴리오 최적화, 에너지 그리드, 네트워크 최적화에 적용할 수 있습니다. 

 

양자컴퓨팅은 다양한 산업분야에서 경제적 가치와 성장을 이끌 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 다음의 지표는 위에서 제시한 세 가지 영역에서 보스턴 컨설팅이 제시한 성장잠재력입니다. 그렇다면 이러한 성장을 달성하기 위해 어떠한 노력을 기울여야 할지 고민해보았습니다. 첫 번째, 양자컴퓨팅의 성장과 혁신을 이끌기 위해서는 R&D가 선행되어야 합니다. 많은 전문가 그룹가 학자들이 연구개발에 투입되어야만 합니다. 두 번째, 연구인력들이 풍부하게 투입된다면 자연스럽게 양자 관련 산업들에서 부흥이 시작될 것입니다. R&D 기업뿐만 아니라 교육분야에서 훌륭한 인재들을 키워낼 것입니다. 세 번째, 양자컴퓨팅의 서비스화 및 상용화입니다. 양자컴퓨팅을 활용하여 다양한 서비스를 제공할 수 있습니다. 그 수준에 이르기까지 산업 전반에 양자컴퓨팅 인프라가 구축되어야 합니다. 마지막으로 양자컴퓨팅은 혁신적인 경제성장과 산업발전의 기회를 제공할 것입니다. 우리는 기초과학 분야에서부터 연구를 시작하고 활기를 불어넣고 있습니다. 특히, 독일과 일본 동경대학, 그리고 한국의 연세대학교와 파트너십을 맺고 양자컴퓨팅 분야의 성장과 발전을 위해 노력하고 있습니다. 

Q(이준구 교수): IBM은 양자컴퓨팅 생태계의 리더임이 분명합니다. 특히 이글큐비트 시스템이 매우 인상적입니다. 저는 IBM의 노력 중 퀀텀 하드웨어 분야에서 어떠한 성과를 만들어 낼 수 있다고 기대하십니까?
A: 우리는 현재 하드웨어 로드맵 보다는 스케일 로드맵에 집중하고 있습니다. 65 큐비트, 127 큐비트 등 양자컴퓨팅의 스케일을 확장하는 데 노력을 쏟고 있습니다. 만약 이러한 성과을 달성하게 된다면 256 큐비트 시스템을 만들어 내고, 이후에 고성능 반도체 개발로 이루어진다면 이것이 진정한 하드웨어 개발의 로드맵이라고 생각합니다. 

Q(조엘): 양자컴퓨팅이 어떠한 산업분야에 영향을 미칠 것으로 생각하십니까?
A: 재료개발, 시뮬레이팅 네이쳐, 신소재 등 분야에서 상당한 발전이 있을 것으로 예상합니다. 특히, 기존의 전통적인 컴퓨팅이 가지는 한계점, 구체적으로 연산력에 대한 한계를 뛰어 넘을 수 있다고 생각합니다. 

 

■ 세션 II: 기조 연설

▶ 존 프레스킬 교수 (Prof. John Preskill)

ㅇ 양자 컴퓨팅은 우리에게 특히 인류에게 굉장히 큰 혜택을 가져다 줄 것임
ㅇ 두 가지 기본 아이디어를 바탕으로 이렇게 큰 희망적 예측을 하고 있음
(1) 양자 복잡도: 양자 컴퓨팅이 강력하다고 생각하는 이유 
(2) 양자 오류 수정: 양자 컴퓨팅이 확장 가능하다고 생각하는 이유
ㅇ 300큐비트에 불과한 일반적인 양자 상태에 대한 완전한 설명에는 보이는 우주의 원자 수보다 더 많은 비트가 필요함
ㅇ 양자 컴퓨팅이 강력하다고 생각하는 이유
(1) 고전적으로 어렵다고 여겨지는 문제, 양자 컴퓨터에서는 쉬움. 인수분해가 가장 잘 알려진 예임.
(2) 양자 컴퓨터가 고전컴퓨터로는 시뮬레이션하기 어렵다는 것을 나타내는 복잡성 이론 주장
(3) 우리는 디지털("고전적인") 컴퓨터를 사용하여 양자 컴퓨터를 효율적으로 시뮬레이션하는 방법을 모름

ㅇ 양자 컴퓨터는 자연에서 발생하는 모든 물리적 프로세스를 효율적으로 시뮬레이션할 수 있는 가능성이 있음
ㅇ 양자 컴퓨팅이 어려운 이유
- 우리는 큐비트가 서로 강력하게 상호작용하기를 원함
- 우리는 큐비트가 환경과 상호작용하는 것을 원하지 않음. 연산이 실패할 수 있기 때문.
- 우리가 그것들을 통제하거나 측정할 때를 제외하고.

ㅇ특정한 장점이 있는 기술과 결합해야 함
ㅇ결맞음에 저항하려면 환경이 계산 중에 양자 컴퓨터의 상태에 대해 ‘학습’하는 것을 방지해야 함
ㅇ양자 오류 수정: 보호되는 ‘논리적’ 양자 정보는 많은 물리적 큐비트의 고도로 얽힌 상태로 인코딩됨. 환경은 보호된 시스템과 로컬로 상호 작용하는 경우 이 정보에 액세스할 수 없음.
ㅇ암호화된 정보를 아주 고도로 얽힌, 이루어진 논로컬하게 얽힌 정보를 보호하는 상태해서 이해할 수 있게 됨
ㅇNISQ 시대의 양자 컴퓨팅
- (노이즈) 50-100 큐비트 양자 컴퓨터가 등장
  (NISQ = 잡음이 있는 중간 규모 양자)
- NISQ 장치는 현재 존재하는 가장 강력한 슈퍼컴퓨터를 사용하여 무차별 대입으로 시뮬레이션할 수 없음
- 노이즈는 NISQ 시대 기술의 계산 능력을 제한
- NISQ는 물리학을 탐구하는 흥미로운 도구가 될 것임. 다른 유용한 응용 프로그램이 있을 수도 있음. 그러나 우리는 그것에 대해 확신하지 못함.
- NISQ는 혼자서 세상을 바꾸지 않고, 오히려 그것은 미래의 더 강력한 양자 기술을 향한 한 걸음임.
- 잠재적으로 변형 가능한 확장 가능한 양자 컴퓨터는 여전히 수십 년이 걸릴 수 있으며, 시간이 얼마나 걸릴지 확실하지 않음
ㅇ 양자 컴퓨팅의 응용
- 오류율이 0.1%인 큐비트

ㅇ 큐비트의 수가 많아지고 정확성이 높아지며 품질이 더 좋아지게 하기 위해서는 상당히 많은 투자가 많이 필요함. 더 나은 아이디어를 가지고 확장한다면 더 좋은 시스템을 만들 수 있을 것임. 장기적으로 양자기술은 물질, 물리 화학 에너지 생산 등 기술분야와 사회 전반에 상당한 혜택을 줄 것임

 

ㅇ(질문) 양자적으로 쉽다는 분류가 재미있었음. 화학과 물질, 물리학에서 활용할 수 있는 새로운 응용사례는?
(답변) 양자컴퓨터의 속도가 올라가는 정도가 생각만큼 높지 않음. 하지만 기술이 점점 발전하면서 더 많은 실험을 통해 새로운 응용사례를 발견 가능

ㅇ(질문) 일반인의 시선에서 양자컴퓨터와 고전컴퓨터(기존 컴퓨터)와의 차이는?
(답변) 양자물리학은 미세한 차원에서 물질이 어떻게 행동하느냐이며, 이것이 20세기에 기술혁신의 바탕이 되었음. 그러나 양자물리학이 우리의 물리적인 세계에서 가능한 것이 무엇인지에 대한 일부 이해만 다루고 있음. 얽힘이란 큐비트가 고도로 얽히면서 시스템이 복잡해지는 것임. 이는 고전 컴퓨터에서 연산이 불가하다는 뜻이며 이것이 큰 차이임
 

■ 세션 III: 양자 기술 스타트업과 양자컴퓨팅의 미래

▶ 김정상 교수 (Prof. Jungsang Kim)

ㅇ 스타트업 환경이 양자기술과 만났을 때 어떻게 해야하는지, 그리고 실용적인 애플리케이션을 위한 고성능 양자 컴퓨팅에 대해 이야기 하겠음

ㅇ 컴퓨팅 기술의 역사적 진화를 살펴보면, ①과학: 반도체 물리학, 재료과학, 계산 이론, ②엔지니어링: 초대형 통합(VLSI) 기술, 컴퓨터 프로세서 아키텍처, 고성능 컴퓨터(슈퍼 컴퓨터), 운영 체제, 소프트웨어 및 서비스 등이 등장하면서 경제적 효과도 증가, ③ 사용자: 비즈니스 및 교육, 통신(인터넷), 과학 컴퓨팅, 로봇 공학 및 자동화

 

ㅇ 유용한 양자 컴퓨터를 어떻게 구현하고 측정할 것인가? (지표)
- (기기 수준 측정항목) 컴퓨터/스마트폰에 몇 개의 트랜지스터(큐비트)가 있는지? 프로세서의 클럭 속도는 얼마인지
- 사용자가 컴퓨터로 할 수 있는 응용사례에 대한 테스트
- (애플리케이션 기반 벤치마크) 대표적인 사용 사례에 대한 테스트
예: 기존 컴퓨터에 대한 SPEC 벤치마크 / 양자 컴퓨터에 대한 QED-C 벤치마크

ㅇ 예시) 양자컴퓨터의 성능에 대한지표

ㅇ 알고리즘 큐비트: 애플리케이션 지향 벤치마크 

ㅇ 양자 컴퓨팅의 기회: Quantum Computers에 의해 활성화된 새로운 초기 애플리케이션 - 정답은 없음 

- 파괴적 혁신기술
* 트랜지스터용 증폭기: 전화선 장거리로 신호를 보냄. 가장 유용한 사례는 보청기임
* 고체 메모리(메타 컴퓨터, 아이패드에 사용)를 통한 "디지털 카메라“
* 인터넷을 위한 "과학적 데이터 공유“

- 어려운 문제를 해결하기 위한 새로운 접근 방식 개발 가능
* 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 더 잘 처리할 수 있음
* 고성능 양자컴퓨터(>슈퍼컴퓨터)

- 양자 컴퓨팅 기술을 사용하기 쉽게, 접근 가능성을 높이는 것이 중요
* 스마트폰 앱의 "앱 스토어"를 생각하면 알 수 있듯이 누구나 혁신할 수 있음

- 이런 것들을 고려하면 관련 기술 스타트업의 큰 성장을 기대할 수 있을 것임

 


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