양자 컴퓨팅 소개
학습 목표
이 모듈을 마치면 다음 내용을 더 잘 이해할 수 있습니다:
- 양자 컴퓨팅의 비즈니스 사례
- 시간에 따른 양자 컴퓨팅의 이정표와 주요 성과
복잡한 문제를 해결하는 새로운 방법
한때 대형 실험실에서만 볼 수 있었던 양자 컴퓨터는 이제 클라우드 기반 컴퓨팅 자원으로 상업적으로 이용 가능하며, 기존 컴퓨터로는 정확히 시뮬레이션할 수 없는 계산을 수행할 수 있습니다. 기업들은 양자 컴퓨팅이 자신들의 산업에 미칠 영향을 점점 더 활발히 탐구하고 있습니다. 이 교육 과정은 양자 컴퓨팅과 그 잠재적 비즈니스 가치를 소개합니다. 또한 양자 컴퓨팅 여정을 시작하면서 마주치는 질문들에 답할 수 있도록 도와드릴게요. IBM Quantum®은 조직 내 역할에 관계없이 양자 컴퓨팅 학습을 시작할 수 있는 다양한 자원을 제공합니다.
양자 컴퓨팅으로 어떤 문제를 해결할 수 있을까요?
양자 컴퓨팅은 양자 역학의 법칙을 활용하여 복잡한 수학적 문제를 해결합니다. 과학자와 엔지니어들이 어려운 문제에 직면할 때, 일반적으로 수천 개의 중앙 처리 장치(CPU)와 그래픽 처리 장치(GPU)를 갖춘 대형 기존 컴퓨터인 슈퍼컴퓨터에 의존합니다. 그러나 기존 슈퍼컴퓨터는 특정 유형의 문제를 해결하는 데 매우 뛰어나지만, 복잡하게 상호작용하는 수많은 변수를 가진 문제를 풀기에는 어려움이 있습니다. 양자 기술은 이러한 복잡성의 장벽을 넘어 전 세계 다양한 산업에서 중요한 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있습니다.
먼저 IBM Quantum의 이론 및 계산 과학 디렉터인 Katie Pizzolato가 양자 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제 유형에 대해 설명하는 동영상을 시청해 보겠습니다.
양자 컴퓨팅 응용에 특히 유망한 분야는 다음과 같습니다:
- 시뮬레이션 - 이미 양자 역학적 특성을 가진 물리적 또는 화학적 시스템의 시뮬레이션.
- 최적화 - 일반적으로 최소화 문제로 표현되는 복잡한 문제에 대한 최적 해결책 탐색.
- 복잡한 구조의 데이터 - 머신러닝과 데이터 과학에서 새로운 모델 탐색에 양자 컴퓨팅 활용.
양자 컴퓨팅의 비즈니스 사례
양자 컴퓨팅이 기존 컴퓨터를 대체하지는 않겠지만, 새로운 컴퓨팅 패러다임을 제시합니다. IBM® 기업 가치 연구소의 최근 보고서 *The Quantum Decade*는 차세대 컴퓨팅의 주요 동인을 제시합니다. 비즈니스에서 양자 컴퓨팅을 평가할 때 다음 사항을 고려해 보세요:
글로벌 우선순위 – 전체 산업이 더 큰 불확실성에 직면함에 따라 비즈니스 모델은 새로운 기술에 점점 더 민감해지고 의존하게 됩니다.
컴퓨팅의 미래 – 양자 컴퓨팅, AI, 기존 컴퓨팅을 하이브리드 멀티클라우드 워크플로에 통합하면 60년 만에 가장 중요한 컴퓨팅 혁명이 일어날 것입니다.
발견 중심의 기업 – 기업은 데이터 분석에서 문제 해결을 위한 새로운 방법 발견으로 진화할 것입니다.
지수적 문제 해결의 가중되는 압박 – 신소재 발견, 신종 질병 대응 약물 개발, 공급망의 회복력 향상을 위한 재설계 등이 그 예입니다.
변곡점에 선 양자 기술 – 하드웨어와 Qubit이 빠르게 확장됨에 따라 도메인 전문가들이 알고리즘 발견에 참여하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 새로운 알고리즘이 등장하면서 Circuit은 품질, 용량, 다양성 면에서 향상될 것입니다.
양자 생태계 확장 – 개방형 혁신은 협력적 학습을 촉진합니다. 실무자와 과학자들은 양자 컴퓨팅을 실제 문제에 적용하는 방법을 배워야 하며, 물리학자와 엔지니어들은 도메인별 전문 지식을 바탕으로 하드웨어와 소프트웨어를 만들 수 있습니다.
이해도 확인
아래 질문을 읽고 답을 생각한 후 삼각형을 클릭하여 정답을 확인하세요.
참 또는 거짓: 양자 컴퓨터는 미래에 기존 컴퓨터를 대체할 것이다.
거짓입니다. 양자 컴퓨터와 기존 컴퓨터의 결합은 의미 있는 과제에서 기존 컴퓨터만 사용할 때보다 곧 더 나은 성능을 보일 수 있습니다. 양자 컴퓨팅, AI, 기존 컴퓨팅을 하이브리드 멀티클라우드 워크플로에 통합하면 가장 중요한 컴퓨팅 혁명이 이루어질 것입니다. 우리는 연결된 양자와 기존 컴퓨팅의 이러한 비전을 양자 중심 슈퍼컴퓨팅이라고 부릅니다.
도쿄 대학교를 위해 신카와사키에 설치된 IBM Quantum System One 모델 사진. (제공: Satoshi Kawase for IBM)
양자 컴퓨팅의 잠재적 문제 분류
위 동영상에서 Victoria가 소개한 계산 복잡성 분류에 대한 자세한 내용은 이 기사를 확인하세요. 거기서 양자 컴퓨터가 쉽게 해결할 수 있는 문제들의 이론적 목록인 BQP(유계 오류 양자 다항 시간)에 대해 더 많이 배울 수 있습니다.
과학에서 시스템으로의 여정
양자 컴퓨팅이 놀라운 이유는 오늘날 풀 수 없는 문제들을 해결하여 궁극적으로 비즈니스 가치를 제공할 수 있는 잠재력에 있습니다. 양자 컴퓨팅은 현실에 대한 가장 심층적인 설명인 양자역학을 기반으로 하기 때문에 이러한 문제들을 탐구할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 정보를 처리하기 위해 양자역학적 현상을 활용합니다.
일부에서는 양자 컴퓨팅을 이제 막 시작 단계에 있는 혁신적인 분야로 볼 수도 있지만, 실제로는 양자 컴퓨팅의 이론적 토대가 적어도 1970년대부터 발전해 왔습니다. 과거에는 조금씩 진행되던 것이 과학에서 시스템으로 빠르게 발전한 주요 이정표와 혁신들을 살펴보는 것은 매우 중요합니다.
| 1970 | Charles H. Bennett은 1970년 2월 24일 IBM의 연구 과학자로 근무하면서 "양자 정보 이론(quantum information theory)"이라는 문구를 처음으로 기록한 사람으로 알려져 있습니다. 그의 메모는 이후 많은 사람들의 놀라운 연구들을 예고하는 것이었으며, 세상이 양자 우위를 향한 길로 나아가는 데 기여했습니다. |
| 1981 | 저명한 이론물리학자 Richard Feynman은 일찍이 1981년에 양자 컴퓨터의 가능성을 발견했습니다. IBM과 매사추세츠 공과대학(MIT)이 공동 주최한 제1회 컴퓨팅 물리학 컨퍼런스에서 그는 기조연설을 다음과 같은 말로 마무리하며 유명해졌습니다. "[...] 자연은 고전적이지 않습니다, 빌어먹을, 그리고 자연을 시뮬레이션하고 싶다면 양자역학적으로 만들어야 합니다. 정말이지 훌륭한 문제입니다, 왜냐하면 그게 쉬워 보이지 않기 때문입니다." [1] |
| 1994 | 1994년, 당시 뉴저지 AT&T 벨 연구소에 재직 중이던 수학자 Peter Shor는 완전히 기능하는 양자 컴퓨터가 놀라운 일을 할 수 있음을 증명했습니다. 바로 개인 통신을 보호하는 일반적인 수단인 RSA 암호화를 해독할 수 있다는 것이었습니다. 그는 자신의 양자 알고리즘이 일반 컴퓨터로 우주의 수명 동안 걸릴 수 있는 작업을 단 몇 분 만에 해낼 수 있음을 보여주었습니다. 2 |
| 1996 | 그로부터 1년 후, 마찬가지로 벨 연구소 과학자인 Lov Grover는 비구조화 데이터베이스를 신속하게 검색할 수 있는 양자 알고리즘을 고안했습니다. 과학자들이 이 분야에 몰려들었고, 하드웨어의 발전도 코드의 혁신을 빠르게 뒤따랐습니다. [2] |
| 1998 | 1998년에 양자 알고리즘의 첫 번째 실험적 시연이 이루어졌습니다. 옥스퍼드 대학교의 Jonathan A. Jones와 Michele Mosca가 작동하는 2-Qubit 핵자기공명(NMR) 양자 컴퓨터를 사용하여 Deutsch의 문제를 풀었으며, 얼마 후 IBM 알마덴 연구소의 Isaac L. Chuang과 버클리 캘리포니아 대학교의 Mark Kubinec이 스탠퍼드 대학교 및 MIT 공동 연구자들과 함께 같은 성과를 달성했습니다. [3] |
| 2001 | 2001년에는 IBM 알마덴 연구소와 스탠퍼드 대학교에서 Shor 알고리즘이 처음으로 실행되었습니다. 7개의 활성 핵 스핀을 포함하는 1018개의 동일한 분자를 사용하여 숫자 15를 인수분해했습니다. [4] |
| 2005 | 2000년대 중반까지 연구 분야는 각각 장단점을 가진 여러 종류의 초전도 Qubit을 개발했습니다. 2007년 예일 대학교 팀은 이러한 접근 방식들의 개별적인 단점을 극복하기 위해 여러 방법을 결합하는 방법을 찾아냈으며, 새로운 설계를 "트랜스몬(transmon) Qubit"이라고 명명했습니다. 트랜스몬 Qubit은 IBM Quantum, Google AI, Rigetti Computing을 포함한 많은 기업들의 양자 컴퓨터 개발 노력의 핵심이 되었습니다. 예일 팀의 일원이었던 Jay Gambetta는 이후 IBM Research의 양자 컴퓨팅 담당 부사장이 되었습니다. |
2015년에 발표된 IBM 4-큐비트 초전도 양자 컴퓨터의 레이아웃. (제공: IBM Research)
| 2016 | 2016년 5월, IBM은 실제 양자 컴퓨터를 포함하는 클라우드 양자 컴퓨팅 서비스인 IBM Quantum Experience를 최초로 출시한 회사가 되었습니다. [5] |
IBM Research의 태블릿에서 실행 중인 IBM Quantum Composer (제공: Connie Zhou, IBM)
| 2017 | 2017년 3월, IBM은 오픈 소스 양자 프로그래밍 프레임워크인 Qiskit을 출시했습니다. [6] 2017년 12월에는 양자 컴퓨팅 상업 생태계를 구축하기 위해 IBM Quantum 네트워크가 출범했습니다. |
| 2019 | IBM은 뉴욕에 양자 컴퓨팅 센터(Quantum Computation Center)를 열어 세계 최대 규모의 양자 컴퓨터 집합을 온라인으로 구축했습니다. |
뉴욕 포킵시(Poughkeepsie, NY)에 위치한 IBM Quantum 데이터 센터. (제공: James O'Connor, IBM)
| 2020 | 2020년 9월, IBM은 당시의 소음이 많은 소규모 양자 컴퓨터에서 미래의 백만 Qubit 이상 양자 컴퓨터로 나아가기 위한 개발 로드맵을 발표했습니다. 이 로드맵은 2023년에 1,121 Qubit 양자 컴퓨터, 2024년에 1,386+ Qubit, 2025년에 4,000 Qubit 이상을 달성하는 목표를 제시합니다. |
| 2021 | 2021년 봄, IBM은 워크로드 성능의 가장 큰 병목 현상 일부를 제거한 양자-고전 프로그램을 위한 컨테이너형 실행 환경인 Qiskit Runtime을 출시했습니다. [7] 2021년 11월, IBM은 127-Qubit 양자 프로세서 Eagle로 100-Qubit 프로세서 장벽을 돌파하는 양자 컴퓨팅의 주요 이정표를 달성했습니다. [9] |
| 2022 | 2022년 4월, IBM은 Qiskit Runtime 프리미티브를 출시하여 개발자 경험을 단순화하고 사용자들이 양자 컴퓨터에서 더 의미 있는 결과를 얻을 수 있도록 했습니다. [10] 2022년 5월, IBM은 모듈성과 다양한 통신 기술로 컴퓨팅 용량을 늘리는 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 시대를 예고하는 업데이트된 로드맵을 발표했습니다. [11] 2022년 11월, IBM은 초전도 Qubit을 사용하는 최대 규모인 433-Qubit IBM Quantum Osprey 프로세서를 공개했습니다. [12] 같은 달, IBM은 중간 Circuit 측정과 피드포워드 연산을 가능하게 하는 양자 및 고전 자원을 사용하는 컴퓨팅 Circuit인 Dynamic Circuits를 출시했으며 [13], 사용자들이 오류 억제 및 완화 도구를 실험할 수 있는 Qiskit Runtime 프리미티브의 새로운 복원력 수준 옵션을 발표했습니다. [14] IBM은 2025년에 Circuit Knitting Toolbox를 포함한 고급 미들웨어를 출시하여 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 실현을 향한 발걸음을 내딛고 있습니다. |
2022년 IBM Quantum Summit에서 공개된 IBM Quantum Osprey 프로세서는 433 Qubit을 자랑합니다. (제공: Connie Zhou, IBM)
| 2023 | 결함 허용 이전의 양자 컴퓨팅 유용성에 대한 증거는 2023년 6월 IBM과 UC 버클리의 공동 연구로 Nature 표지를 장식한 논문입니다. IBM Quantum 과학자들이 127-Qubit IBM Quantum Eagle 프로세서에서 복잡한 물리 시뮬레이션을 수행했습니다. 동시에 로렌스 버클리 국립연구소와 퍼듀 대학교의 슈퍼컴퓨터에서 최신 고전적 근사 방법으로도 시뮬레이션이 실행되었습니다. Eagle은 무차별 대입 방법의 능력 한계를 넘어서는 영역에서도 고전적 근사 방법보다 더 정확한 답을 도출했습니다. |
2023년 6월 14일자 양자 유용성에 관한 Nature 표지 기사
| 2023 | 2023년 IBM은 코드명 montecarlo인 Heron 칩을 발표했습니다. 처음에는 133 Qubit으로 출시되었다가 2024년에 156 Qubit으로 업데이트된 Heron은 새로운 조정 가능한 커플러 아키텍처를 도입했습니다. Heron은 게이트 오류율이 절반으로 줄고 크로스토크가 거의 없으며 게이트 시간이 크게 개선되는 등 최고의 Eagle 프로세서 대비 상당한 성능 향상을 보여주고 있습니다. Heron은 Osprey에 먼저 적용된 신호 전달 분야의 실질적인 혁신을 활용합니다. 빠르고 정밀한 2-Qubit 및 단일 Qubit 제어를 가 능하게 하는 신호는 고밀도 플렉스 케이블로 전달됩니다. |
2023년 IBM Quantum Summit에서 공개된 IBM Quantum Heron 프로세서는 Eagle 프로세서 대비 상당한 성능 향상을 보여줍니다.
양자 컴퓨팅이 정확히 언제 오늘날 사용 중인 방법들을 능가할 수 있을지 예측하기는 쉽지 않습니다. 그러나 빠르게 다가오는 양자 컴퓨팅 시대를 선도하고 복잡한 문제를 해결하기 위해, 기업과 연구 기관들은 지금부터 준비를 시작해야 합니다. 가파른 학습 곡선을 감안할 때, 학습과 실험에 일찍 착수하는 것이 경쟁 우위가 될 수 있습니다. 양자 컴퓨팅 준비 상태는 혁신에 대한 조직의 접근 방식과 투자, 새로운 인재와 역량, 그리고 전반적인 디지털 성숙도에 따라 지속적으로 진화하는 상태입니다. 준비에는 자동화, AI, 하이브리드 멀티클라우드와 같은 핵심 기술의 도입, 확장되는 컴퓨팅 역량을 분석·실험·반복하려는 의지, 워크플로우의 정교함, 그리고 조직의 역량 집합이 포함됩니다.
이해도 확인
아래 질문을 읽고 답을 생각한 다음, 삼각형을 클릭하여 정답을 확인하세요.
참 또는 거짓: 양자 컴퓨팅은 1990년대에 처음 개념화되었다.
거짓입니다. 첫 번째 실험적 양자 컴퓨터는 1998년에 만 들어졌지만, 양자 컴퓨터의 가능성은 Richard Feynman에 의해 일찍이 1981년에 발견되었습니다.
핵심 정리
다음 핵심 사항들을 기억해 두세요:
- 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터와 함께 작동하는 새로운 컴퓨팅 패러다임을 나타냅니다.
- 양자 컴퓨팅을 통해 세상을 다른 방식으로 이해하고, 기존에 풀 수 없었던 일부 문제들을 해결할 수 있게 됩니다.
- 아직 양자 컴퓨팅이 현재 사용 중인 방법을 능가하지는 못하지만, 조직은 오늘부터 이 근본적인 컴퓨팅 변화에 대비하는 조치를 취할 수 있습니다.
출처
[1] Richard P. Feynman, "Simulating Physics with Computers," International Journal of Theoretical Physics 21, nos. 6–7 (1982): 467–488.
[2] Robert Hackett, "Business Bets on a Quantum Leap," Fortune, May 21, 2019.
[3] Isaac L. Chuang, Neil Gershenfeld, and Mark Kubinec, "Experimental Implementation of Fast Quantum Searching," Physical Review Letters 80, no. 15 (1998): 3408–3411.
[4] Lieven M. K. Vandersypen et al., "Experimental Realization of Shor's Quantum Factoring Algorithm Using Nuclear Magnetic Resonance," NATURE 414 (2001): 883–887.
[5] qiskit log, GitHub repository.
[6] Jay Gambetta, "IBM's Roadmap for Scaling Quantum Technology," IBM Research Blog, September 15, 2020.
[7] Ismael Faro and Blake Johnson, "IBM Quantum Delivers 120x Speedup of Quantum Workloads with Qiskit Runtime," IBM Research Blog, May 11, 2021.
[8] Matthew Treinish, Ali Javadi-Abhari, and Stefan Wörner, "New Qiskit Design: Introducing Qiskit Application Modules," IBM Research Blog, April 6, 2021.
[9] Jerry Chow, Oliver Dial, and Jay Gambetta, "IBM Quantum Breaks the 100-Qubit Processor Barrier," IBM Research Blog, November 16, 2021.
[10] Blake Johnson and Gilah Ben-Shach, "Qiskit Runtime Primitives Make Algorithm Development Easier Than Ever," IBM Research Blog, April 12, 2022.
[11] Jay Gambetta, "Expanding the IBM Quantum Roadmap to Anticipate the Future of Quantum-centric Supercomputing," IBM Research Blog, May 10, 2022.
[12] Jay Gambetta, "Quantum-centric Supercomputing: The Next Wave of Computing," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[13] Blake Johnson, "Bringing the Full Power of Dynamic Circuits to Qiskit Runtime," IBM Research Blog, November 9, 2022.
[14] Blake Johnson, Tushar Mittal, and Jeannette Garcia, "Introducing New Qiskit Runtime Capabilities — and How Our Clients Are Integrating Them into Their Use Cases," IBM Research Blog, November 9, 2022.