[기술리포트] 양자컴퓨팅의 현재와 미래: 클라우드 시대의 새로운 도약

 

 

[ kt cloud Cloud영업지원팀 이광조 님 ]

📋 요약

양자컴퓨팅의 기본 개념부터 클라우드 환경에서의 활용 방안까지 체계적으로 설명합니다.

큐비트와 양자역학 원리를 통해 차세대 컴퓨팅 기술의 현재와 미래를 제시합니다.

#양자컴퓨팅 #큐비트 #클라우드 #QPU #QCaaS

 

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1. 양자 컴퓨터란?

양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 달리 양자역학(중첩, 얽힘, 텔레포테이션)으로 작동하는 차세대 컴퓨터입니다. 우리가 일상적으로 사용하는 노트북이나 스마트폰은 정보를 0과 1의 비트(bit)로 처리하는 반면, 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)를 사용합니다. 시작부터 중첩, 얽힘, 큐비트와 같은 생소한 단어들이 많으니 이들을 간단히 소개하고 지나가겠습니다.

1.1 중첩, 얽힘이 무엇인가요?

중첩(Superposition)은 단어 그대로 두가지의 형태를 동시에 가지고있는 것을 의미합니다. 우리에게 익숙한 실험으로는 슈뢰딩거의 고양이 실험이 있겠군요. 얽힘은 중첩된 2개 이상의 큐비트가 얽힘상태로 있을 경우 특정 큐비트의 상태를 측정하면 다른 큐비트가 측정 없이 자동으로 상태에 대한 정보를 알 수 있는 것을 의미합니다. 너무 어렵군요. 간단히 설명하면 중첩은 두가지 성격을 동시에 가지는 것, 얽힘은 큐비트가 중첩상태에 있을 때 서로가 변하면 변화된 값을 인지하는 것 정도로 정리하겠습니다.

1.2 Qubit는 뭐가 다른가요?

Qubit라는 이야기가 계속 나오는데 그럼 Qubit는 무엇일까요? 우선 우리에게 익숙한 Bit부터 설명을 해보겠습니다. Bit란 Binary Digit의 줄임말로, 컴퓨터에서 가장 작은 단위로 0과 1중 하나의 형태를 가지고 있습니다. 스위치라고 생각해보면 꺼짐(0), 켜짐(1) 중 하나의 상태만 가지는 것 처럼요. 반면, Qubit는 0과 1이 특정 확률로 존재하고 있어요. 위에서 설명한 두가지의 형태를 가질 수 있는 중첨(superposition)의 상태를 가지고 있는거죠. 이는 한번에 많은 정보량을 동시에 처리할 수 있는 장점을 가지게 됩니다.

간단한 예를 들어볼까요? 2개의 Qubit로는 나타낼 수 있는 상태는 00, 01, 10, 11과 같은 4개의 형태를 가지게 됩니다. 3개의 Qubit의 경우에는 000, 001, 011, ··· 111까지 총 8개의 상태를 한번에 나타낼 수 있겠네요. 직관적으로 표현하면 ”2Qubit 수의 상태를 동시에 표현할 수 있다”로 설명할 수 있겠네요. 이러한 여러 상태를 동시에 표현하는 것은 양자 컴퓨터가 방대한 크기의 문제를 짧은 시간안에 해결할 수 있는 장점이 되는겁니다.

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2. 양자컴퓨터의 구성은?

우리가 컴퓨터 살 때를 한번 생각해볼까요? 노트북도 좋습니다. 우리가 가장 많이 고려하는 것은 CPU가 무엇이고, GPU가 몇세대인지, RAM이 몇 Gb인지를 고려하게 됩니다. AI로 한번 넘어와보겠습니다. 최근 NPU(Neural Processing Unit)가 나오면서 인공지능 및 머신러닝 작업에 특화된 하드웨어 가속기가 나왔죠? 이처럼 양자컴퓨터를 위한 하드웨어를 QPU라고 부릅니다.

2.1 하드웨어

• QPU(Quantum Processing Unit)
  양자컴퓨팅을 위한 연산장치로 Qubit라는 단위를 사용해 연산을 수행하며, QPU를 구현하는 방식은 아래와 같습니다.

방식	설명	장점	단점
초전도 큐비트	매우 차가운 환경에서 전류를 흘려 큐비트를 제작	빠른 연산 속도	극저온 환경 필요
이온 트랩	공중에 띄운 이온을 레이저로 제어	정밀 제어 가능	속도가 느림
광자 기반 큐비트	빛 입자를 활용	통신에 유리	큐비트 간 얽힘 구현이 힘듦

2.2 소프트웨어

하드웨어가 양자 상태를 만들어낸다면, 소프트웨어는 큐비트를 논리 연산으로 조작하고 원하는 계산을 수행하게 만들어 줍니다. 우리가 알고리즘을 기반으로 일반 컴퓨터를 사용하듯 양자 컴퓨터 또한 양자 알고리즘을 기반으로 동작하고 있다고 생각하시면 됩니다.

• 양자 프로그래밍의 핵심 구성요소
  - 양자 게이트(Quantum Gate): 고전 컴퓨터의 논리 게이트(AND, OR 등)처럼, 양자 연산도 큐비트에 다양한 변환을 적용하는 게이트로 이를 구성합니다. 게이트의 세부적인 내용은 우선 넘어가도록 하겠습니다. 일단 큐비트도 우리 컴퓨터처럼 논리 계산을 한다 정도로만 알고 있자구요!
  
  - 양자 알고리즘: 큐비트의 중첩과 얽힘을 활용해 계산 효율, 즉 원하는 정답 상태의 ‘측정 확률’을 높이는 방식으로 설계하는 것을 의미합니다. 대표적으로는 소인수분해 문제를 빠르게 해결하는 Shor 알고리즘, 비정렬 데이터에서 빠른 탐색을 가능하게 하는 Grover 알고리즘이 있습니다. Shor의 경우 암호학에서, Grover는 우리 컴퓨터에서 찾고자하는 파일을 얼마나 빨리 찾아주는가 정도로 생각하면 되겠습니다.

너무 어려운 이야기들이 많았습니다. 요약하자면 양자 컴퓨터도 고전 컴퓨터처럼 하드웨어와 소프트웨어로 구성되어 있다. 양자 컴퓨터는 큐비트의 중첩과 얽힘을 통해 정답 상태가 가장 높은 값을 도출한다. 마지막으로 양자컴퓨팅은 단순히 하드웨어만의 문제가 아니라, 하드웨어와 소프트웨어가 맞물려 작동해야만 의미있는 결과를 얻을 수 있는 시스템이라는 점을 알고 있는게 좋겠군요.

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3. 양자 컴퓨터는 어디에 사용되나요?

3.1 양자컴퓨터는 어느 정도의 성능을 보이나요?

[그림 2] IBM Eagle Processor

여기까지 오셨다면, 양자컴퓨터가 어떻게 생긴거야 하고 검색해보신 분들도 분명 있으실겁니다. 위에 보이시는건 작년 ‘퀀텀 코리아 2024'에서 IBM사가 발표한 127개의 Qubit으로 구성된 ‘Eagle’이라는 양자 프로세서 입니다. “127개 Qubit이면 2127개의 상태를 동시에 얻고 정답 상태가 가장 높은값을 선택하겠군”까지 생각하셨다면 성공입니다.

 

“그래서 어느정도의 효과를 보여주는거야?”라고 하시면 구글이 개발한 53 Qubit 양자 컴퓨터는 기존 슈퍼컴퓨터가 1만년 걸리는 연산을 단 3분만에 처리하는 결과를 보여준 바가 있습니다. 그럼 127Qubit이면 어마무시한 속도를 자랑하겠군요.

 

그럼 계산이 빠르다고 성능이 좋다라고 표현할 수 있을까요? 그렇지는 않습니다. 문제에 대한 정답률도 높아야하고, 일반적인 작업들에 대한 범용성도 높아야하죠. 하지만 현재의 양자컴퓨터의 큐비트는 외부 환경(열, 진동 등)에 매우 민감하고 계산 중 오류가 많이 발생하는 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)으로 Error Rate(오류율)가 매우 높은 편입니다. 또한, 조합 최적화, 시뮬레이션, 암호해독과 같은 특정 분야에서는 강점을 보이지만 대부분의 일반적인 계산 작업은 오히려 고전 컴퓨터가 더 효율적인 모습을 보여주고 있습니다.

3.2 양자컴퓨팅 활용분야

이처럼 계산 속도도 중요하지만 결과의 정확성도 중요하기 때문에 아직 사용화가 되기에는 이른감이 있습니다. 이를 대변하듯 Gartner의 Hype cycle에서도 Quantum Computing기술은 환멸의 계곡(Trough of Disillusionment)*를 지나는 중이며, 아직 기술이 시장에 자리를 잡기에는 10년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다.

[그림 3] Gartner Hype Cycle for Deep Tech 2024

 

초기 기술이라 산업분야에서 사용이 안되고 있는 것은 아닙니다. 선도 기업과 연구기관에서 실험적으로 도입하고 있으며, 저는 오늘 여러분께 아래 3가지 사례를 소개드리고자 합니다.

산업군	기업명	활용 사례
제약·바이오	Merck IBM	양자 알고리즘 기반 신약 후보 물질 탐색 분자의 에너지 준위 시뮬레이션
금융	Goldman Sachs JPMorgan	옵션 가격 결정 문제 알고리즘 제작 리스크 시나리오 분석 테스트
제조·물류	Daimler Volkswagen	전기차 배터리 생산과 공급망 경로 최적화 물류 스케줄 문제 핸들링

 

이처럼 아직 본격적인 사용화는 아니지만, 양자컴퓨팅은 문제해결의 새로운 도구로서 “누가 먼저 제대로 된 유스케이스를 확보하느냐”의 경쟁이 일어나고 있습니다.

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4. Cloud/DC에 양자컴퓨터를 어떻게 접목할까?

위에서 소개드린 IBM사의 ‘Ealge’을 지금 우리가 쓰고 있는 컴퓨터나 노트북처럼 집이나 회사 책상 위에 올려두고 사용하기에는 어려움이 있을겁니다. Qubit을 안정적으로 유지하려면 절대온도에 가까운 초저온, 진공 상태, 정밀한 제어 시스템이 필요하니까요. 그래서 대부분의 기업들은 양자컴퓨팅을 Cloud를 통해 접속하는 방식으로 접근하고 있습니다.

4.1 QCaaS(Quantum Computing as a service)

클라우드 기반 양자컴퓨팅은 일반적인 SaaS처럼 IaaS단은 벤더사가 관리하며, 사용자는 API나 개발 환경을 통해 간편하게 실험할 수 있는 접근성을 제공해줍니다.

 

[주요 플랫폼]

플랫폼	설명
AWS Braket	다양한 양자 하드웨어(IonQ, Rigetti, OQC 등)를 통합한 플랫폼. 하이브리드 연산 지원
Azure Quantum	양자 알고리즘 개발 + 시뮬레이터 + 하드웨어 백엔드 선택 가능. 마이크로소프트의 통합 에코시스템dl 강점
IBM Quantum	실시간 큐비트 제어 가능. Qiskit을 이용해 Python으로 양자회로 개발 및 실행

 

이런한 Cloud기반 플랫폼들은 장비 접근의 어려움(장비만 수십억원이니까요..)을 해소해주고, 기존 컴퓨팅과의 연계(Classical-Quantum Hybrid)를 통해 문제를 푸는 편의성을 제공해줍니다. 특히 기존 컴퓨팅과의 연계는 일부 연산은 CPU로 처리하면서 유동적인 계산이 가능한 장점이 있습니다.

4.2 데이터센터에도 QPU가 들어온다!

양자컴퓨팅의 경우 QCaaS가 주를 이루고 있지만 최근 온프레미스 양자컴퓨팅 수요도 빠르게 증가하고 있습니다. 양자컴퓨팅 초기 시장의 경우 설치/운용이 매우 어려웠지만, 최근 D-wave Quantum, IBM 등 주요 벤더사에서 상용 장비를 전용 냉각 포함 키트 형식으로 제공하면서 설치가 용이해졌다는 시각도 있습니다.

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5. 이야기를 마치며

아직 양자컴퓨팅이라는 사업이 걸어야할 길은 아주 멀다는 것은 이 글을 읽은 모두가 공감할 것이라 생각됩니다. 현재 양자컴퓨팅은 GPT가 나오기 전의 AI모델 어쩌면 이세돌을 이긴 알파고 이전의 수준일지도 모르겠습니다. 기술적 가능성은 분명하지만, 아직은 제약이 많고 일부 전문가들만 실험해보는 수준이니까요. 하지만 IT 기술은 어느 한순간에 우리의 일상을 바꿔버리곤 합니다.

 

OPENAI, 클라우드가 그랬던 것처럼 양자컴퓨팅도 조만간 누군가의 실험이나 문제를 빠르게 해결하고, 비즈니스를 바꾸는 기술로 자리 잡고 있을지 모릅니다. 지금의 작은 관심이나 호기심들이 쌓이면 머지않아 우리가 겪게 될 ‘양자 전환점(Quantum Shift)'의 단초가 되지 않을까요? 다음에는 “클라우드와 양자보안”으로 돌아오겠습니다.

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❓ 자주 묻는 질문 (FAQ)

Q. 양자컴퓨터의 큐비트(Qubit)는 일반 컴퓨터의 비트(Bit)와 어떻게 다른가요?

A. 우리가 쓰는 일반 컴퓨터는 정보를 비트(Bit)라는 단위로 저장합니다. 비트는 전구의 스위치처럼 0 또는 1 중 하나의 값만 가질 수 있죠. 하지만 양자컴퓨터의 큐비트(Qubit)는 조금 다릅니다. 양자역학의 중첩(superposition) 원리를 활용해, 0이면서 동시에 1인 상태를 가질 수 있습니다. 쉽게 말해, 스위치가 꺼져 있으면서 동시에 켜져 있는 것과 비슷한 개념이에요. 예를 들어, 2개의 큐비트를 사용하면 00, 01, 10, 11이라는 네 가지 상태를 한 번에 표현할 수 있고, 큐비트 수가 늘어날수록 표현할 수 있는 경우의 수가 기하급수적으로 늘어납니다. 이 덕분에 양자컴퓨터는 특정 문제에서 일반 컴퓨터가 따라오기 힘든 계산 능력을 보여줄 수 있습니다. 물론 여기에는 중요한 조건이 있습니다. 모든 계산이 다 빨라지는 것은 아니고, 암호 해독, 최적화 문제, 분자 시뮬레이션처럼 양자의 특성을 잘 활용할 수 있는 분야에서만 강점을 가집니다. 게다가 현재 기술은 아직 초기 단계라서, 큐비트가 외부 환경에 너무 민감해 쉽게 오류가 생기는 문제가 있어요. 그래서 양자컴퓨터가 우리가 일상적으로 쓰는 수준까지 오려면 조금 더 시간이 필요합니다.

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📚 관련/출처

https://www.ibm.com/kr-ko/topics/quantum-computing https://aws.amazon.com/ko/what-is/quantum-computing/ https://aws.amazon.com/ko/braket/ https://www.ibm.com/quantum https://spectrum.ieee.org/quantum-data-center