화학저널

IBM, 초전도형 소프트웨어 개발 진전 … 오류 내성 실용화 기대

양자컴퓨터 개발 경쟁이 치열해지고 있다.
가장 활용이 기대되는 양자화학 계산은 광합성 매커니즘을 해명할 수 있을 것으로 기대되고 있고 실용화된다면 전기자동차(EV) 보급 이상으로 탄소중립 실현을 가속화시킬 것으로 예상된다.
다만, 연산 확대와 연산 오류 정정 기술 개발은 양자컴퓨터의 가장 큰 과제가 되고 있다.
일본은 산관학 연계로 다양한 아이디어를 발표하고 있으며 양자 메모리를 사용해 오류를 줄이거나 다른 국가의 양자컴퓨터와 연결하는 방법으로 연구를 진행하고 있다. 오류가 없는 양자컴퓨터와 양자 통신기기가 실현된다면 거대 양자인터넷을 구축할 수 있어 세계적으로 보안성을 가진 복잡한 분산작업을 실시할 수 있게 될 것으로 기대하고 있다.
양자컴퓨터는 이론적으로 방대한 데이터를 처리할 수 있으나 기존 컴퓨터와 달리 값 조합이 방대하고 정보 복제가 불가능해 오류가 발생했을 때 오류를 특정해 정정하기 위해 지금보다 4자리 더 많은 100만양자비트(Qb)가 필요한 것으로 파악된다.
다중화 기능을 갖춘 오류 내성 양자컴퓨터는 2050년경에야 개발이 가능해 당분간은 오류 정정이 불충분한 양자컴퓨터(NISQ)에 의존해야 하며 광합성과 포토레지스트와 같은 기저상태가 아니라 발굴이 필요한 영역까지 심도 있게 사용하는 것은 어려운 것으로 판단되고 있다.
광합성 매커니즘 해결을 위해서는 어떠한 분자궤도에 어느 만큼의 전자가 있는지와 관련된 방대한 데이터를 처리해야 할 필요가 있으나 NISQ 양자화학 계산에서 주로 사용되는 VQE(Variational Quantum. Eigensolver)로는 분자궤도 상 전자 유무를 정확히 파악하기 어렵기 때문이다.
기존 컴퓨터로 처리하기에는 비현실적인 연산량이기 때문에 오류 내성 양자컴퓨터 개발이 시급하나 과제가 산적해 있다.
다만, 초전도형 양자컴퓨터는 2025년 이후 4000Qb 개발을 목표로 하고 있는 미국 IBM이 2022년 11월 모듈 방식으로 대규모화하는 하드웨어와 오류를 정정·경감하는 양자 소프트웨어를 출시하는 등 개발이 일정수준 진전되고 있다.
현재 활용 사례로 다우(Dow)와 양자화학 계산 전문기업 Good Chemistry를 설립하고 전자 상태로 계산하고 있는 것으로 알려졌다.
JSR과 QunaSys는 IBM의 소프트웨어를 사용해 인가 전압에서 분자의 움직임을 조사하고 있다. 양사는 그동안 광합성을 이해하기 위해 중요한 역할을 하는 메틸렌(Methylene) 분자를 분석했고 식물이 광합성을 실시하거나 공기 중 질소를 암모니아(Ammonia)로 전환하는 근립균의 구조를 해명할 수 있다면 지구환경 보호에 큰 도움이 될 것으로 기대하고 있다.
현재의 NISQ는 노이즈가 많아 실제 사용 가능한 Qb가 몇개뿐이라고 판단하는 연구자들이 많은 편이다.
지속적으로 운영할 수 있는 오류 내성 양자컴퓨터에 대한 필요성이 확대되고 있는 가운데 가장 연구가 진전된 초전도형 양자컴퓨터도 Qb가 늘수록 제어용 신호선도 증가하는 문제로 거의 절대영도(Absolute Zero)를 유지하는 냉각기 내부 온도가 높아지고 결국 노이즈가 돼 오류가 발생하는 문제가 나타나고 있다.
IBM은 1개의 냉각기에 Qb를 집중시키는 것이 아니라 여러 냉각기에 분산시키고 냉각기끼리 연결시켜 마치 1개의 양자컴퓨터처럼 동작시키는데 성공했고 기존 컴퓨터와 병용해 오류를 억제하고 있다.
초전도 방식 외에도 이온 트랩이나 실리콘(Silicone)형, 양자 텔레포테이션을 사용한 광량자 컴퓨터 등이 주목받고 있으나 아직 초기단계에 불과한 것으로 파악된다.
대규모 오류 내성 양자컴퓨터를 개발하는 움직임이 가속화되고 있는 가운데 현재의 인터넷 환경을 양자컴퓨터로도 실현할 수 있도록 하는 연구 역시 진행되고 있다.
일본 과학기술진흥기구는 문샷형 연구개발(R&D) 사업 일환으로 양자컴퓨터 연산용 Qb를 통신용 Qb로 양자변환해 다른 양자컴퓨터와 연결하는 양자루터 같은 장치를 개발하고 있다.
파괴되기 쉬운 Qb를 어떻게 양자변환할지가 관건인 가운데 요코하마(Yokohama) 국립대학의 고사카 히데오 양자정보연구센터장 등 연구팀이 다이아몬드를 사용한 양자메모리로 양자 상태(핵 스핀)를 1분 동안 유지하고 파괴된 양자 상태를 자동적으로 수정 가능하다는 것을 실증했다.
그동안 양자 게이터 제어에 높은 자장이 필요했기 때문에 양자 상태가 파괴되기 쉬웠으나 연구팀은 세계 최초로 기하학적 양자게이트 조작을 통해 제로 자장에서 오류 정정에 성공했다.
오류 내성 양자 인터페이스와 오류 내성이 있는 대규모 양자컴퓨터를 모두 개발한다면 주식 거래처럼 보안성이 요구되는 정보를 전세계에서 분산 처리할 수 있게 될 것으로 기대된다. 실용화까지 수십년이 걸릴 것으로 예상되나 탈탄소, 신소재 개발, 신약 개발, 금융 등 다양한 분야에서 이노베이션을 일으킬 것으로 전망되고 있다. (강윤화 책임기자)