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전자정보 분야뿐만 아니라 전반적인 과학기술 관련 현장에서 활약하시거나, 현장의 노하우를 바탕으로 끊임없이 도전하고 미래를 만들어나가는 주인공들의 이야기, 또는 IT분야에서 이슈가 된 화제의 인물, 그들의 이야기를 전해드립니다.

  • 심재윤
  • POSTECH 전자전기공학과
  • jysim@postech.ac.kr

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▶ ERC(공학분야) 선도연구센터 <확장형 양자컴퓨터 기술융합 플랫폼 센터(Scalable Quantum Computer Technology Platform Center; SQC²)>에 대한 소개 부탁드립니다.


우선 양자컴퓨터에 대해 말씀드리자면, 양자 역학적으로 설명이 되는 중첩얽힘이라고 하는 독특한 자연현상이 있습니다. 그 자연현상을 우리가 원하는 형태로 나타나게 하고 그 결과를 읽는 것, 그리고 어떤 문제를 그 방식으로 대입을 해서 풀어내는 게 양자컴퓨터입니다. 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터를 대체하고 실용적으로 활용되기 위해선 수많은 큐비트가 동시에 동작하여야 합니다. 기존의 방식으로 양자컴퓨터를 구현하면 컴퓨터의 물리적인 크기가 구현 불가능할 정도로 커지게 됩니다. 양자컴퓨터의 기초가 물리학의 영역이었다면, 이러한 확장형 양자컴퓨터 구현 연구는 공학의 영역이라 할 수 있으며, 앞으로 수많은 공학 기술적 장벽들을 극복해야 합니다. 이러한 장벽들을 극복하고 양자컴퓨터를 실제로 구현하는 것이 저희 센터의 목표입니다. 



▶ '양자컴퓨터·양자컴퓨팅'을 흔히 '꿈의 컴퓨터'라고 합니다. 이에 대한 교수님의 견해를 말씀해 주세요.


미로에서 출구를 찾아가는 과정을 예로 들어 설명해 보겠습니다. 우리가 어떤 미로에 들어가서 출구를 찾으려면 구석구석 다 다녀보고, 그래도 못 찾게 되면 다시 돌아와서 다른 길로 찾아가야 합니다. 이때 출구를 빨리 찾으려면 달리기를 해야 빨리 찾을 수가 있는데, 최대한 빨리 달려서 출구라는 답을 찾는 것이 '슈퍼컴퓨터'에 해당하고, 양자컴퓨터는 이러한 상황에서 갈림길이 나올 때마다 쌍둥이를 만들어낸다고 생각하면 됩니다. 이때 쌍둥이는 갈림길에서 각각 동시에 찾아가지만 이들은 서로 다 연결이 되어 있어서 어느 곳이 출구인지 즉, 어디에서 답이 나오는지에 대한 상태 정보를 서로 다 알 수 있습니다. 이러한 방식으로 동작하는 시스템이 양자컴퓨터이기 때문에 슈퍼컴퓨터보다 더 빨리 문제를 풀어내는 강점이 있습니다. 경우의 수가 굉장히 많은 인류의 난제들을 이 같은 방식으로 빠른 시간 내에 풀어낼 수 있기 때문에 양자컴퓨터를 '꿈의 컴퓨터'라고 합니다.

쌍둥이라는 표현으로 설명을 하였는데, 양자 중첩은 하나의 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있음을 의미하고 양자 얽힘은 두 큐비트가 분리되어 있지만 서로 연결이 될 수 있음을 의미합니다. 일반적으로 우리가 이해하기는 쉽지 않지만 미시세계에는 일어나는 현상들로 이 현상들을 이용한 정보 처리가 가능하다면 꿈의 컴퓨터라고 불릴 만큼 불가능할 것 같은 문제들을 해결할 수가 있습니다.



▶ 양자컴퓨터의 성능 고도화와 직결되는 큐비트에 대해 궁금합니다. 이와 관련 센터에서 연구하고 있는 확장형 양자컴퓨터에 대한 설명을 부탁드립니다. 


'큐비트'는 'quantum bit'의 줄임말로 우리가 흔히 알고 있는 비트(bit)라고 생각하면 됩니다. 비트라는 것은 컴퓨터에서 마이크로 프로세서, 예를 들어 "32bit 컴퓨터다, 64bit 컴퓨터다" 하면 컴퓨터의 성능 수준을 말해주는 의미인데요. 양자컴퓨터에서는 이러한 단위를 큐비트라고 합니다. 최근에 IBM이 127큐비트 프로세서를 개발했다고 발표했는데요. 이전의 65큐비트에서 두 배로 늘린 것으로 앞으로 1000큐비트까지 올리겠다고 합니다. 이는 IBM이 처음 계획한 양자컴퓨터 로드맵에 맞춰 계획을 잘 이행하고 있다는 데 의미를 둘 수 있을 것입니다. 그런데 큐비트의 숫자로만 양자컴퓨터를 말할 수 있는 것은 아닙니다. 물론 큐비트 수가 많으면 문제를 빨리 풀어낼 수는 있습니다. 하지만 복잡한 문제를 풀기 위해서는 오류가 없는 양질의 큐비트여야 하는데, 큐비트 질에 해당하는 평가 기준을 퀀텀 볼륨(Quantum Volume)이라고 합니다. 즉 큐비트 수도 많고 퀀텀 볼륨도 키운 확장성을 갖춘 양자컴퓨터가 구현되어야 합니다. 


즉, 양자중첩과 양자얽힘이 미시세계에서 일어나는 현상이므로, 그 미시세계에 있는 양질의 큐비트를 거시세계의 장치를 통해 우리가 원하는 대로 정확하게 제어를 해서 그 결과를 읽어내는 것이 핵심기술이 됩니다. 큐비트 수가 많아질수록 이 장치도 큐비트 수에 비례해서 커지므로 실질적으로 구현할 수 있는 수준으로 만들어야 하는데 바로 이것이 확장형 양자컴퓨터가 추구하는 바이고, 이 확장형 양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 공학적인 측면에서 접근을 해야 합니다. 저희 센터의 대상 큐비트는 세 가지 방식으로, 초전도, 이온트랩, 그리고 양자점입니다. 양질의 큐비트를 개발하고 이들 큐비트를 정확히 제어하고 결과를 읽어내기 위해 물리학, 전자공학, 소재공학, 컴퓨터공학 분야의 연구자들이 함께 연구하고 있습니다.



▶ 이번에 센터에서 개발한 칩에 대한 자세한 설명 부탁드립니다.


이번에 저희 센터에서 발표한 성과는 두 가지입니다. 먼저 '극저온 양자제어칩'에 대해 설명을 하면,   초전도 방식과 양자점 방식의 큐비트들이 동작하는 미시세계는 온도가 굉장히 낮은 곳에 해당합니다. 즉, 절대온도 0도 가까이에 큐비트가 있습니다. 큐비트 주변에서 큐비트를 제어하고 상태를 읽는 극저온 시스템 반도체 칩을 저희 센터에서 개발했습니다. 이러한 칩은 구글과 인텔이 발표한 바 있으며, 저희 센터에서 세 번째로 개발하였습니다. 절대온도 4도에서 동작하는 양자제어칩으로, 32개의 큐비트들을 제어하고 읽기 위한 모든 부분을 손톱보다 작은 크기에 집적한 세계에서 가장 높은 수준의 집적도를 달성한 결과라고 말씀드릴 수 있겠습니다. 이 제어칩은 확장형 양자컴퓨터를 구현하는 데 있어 필수적인 기술이라고 할 수 있습니다.


 

또 하나는 양자통신에 관련된 칩입니다. 양자통신에는 PQC(Post-Quantum Cryptography)와 QKD(Quantum Key Distribution)라는 두 가지 방법이 있습니다. QKD는 양자기술이 필요한 반면 PQC는 양자기술과 관계 없고 양자컴퓨터도 풀 수 없는 양자내성 암호체계로 통신하는 기술에 해당합니다. 따라서 PQC는 소프트웨어로만 구현이 가능하지만 많은 계산량이 필요하다는 단점이 있습니다. 저희 센터는 PQC 전용 프로세서 칩을 개발하여 세계에서 가장 빠른 양자내성 암호통신을 구현할 수 있게 되었습니다.



▶ 센터를 운영하면서 어려운 점이 있다면 말씀해 주세요.


양자컴퓨터에 있어 우리나라는 투자가 늦었습니다. 가장 앞서가는 나라가 미국인데. 현재 양자컴퓨터 기술을 리딩하는 그룹을 보면 구글, IBM, IonQ, 인텔 등 미국의 회사들입니다. 투자 역량 측면에서 대학이 주도하여 연구를 하는 우리나라는 이들 기업들과 비교할 수 없습니다. 양자컴퓨터 상용화는 여러 기술이 종합적으로 연결되어 하나의 시스템으로 만들어야 하므로 선도연구센터 규모의 예산으로 대학이 모든 연구개발을 수행하는 것은 불가능합니다. 저희 센터는 최고의 역량을 갖는 연구자들로 팀을 구성을 하고, 예산을 공학적 하드웨어 기술 연구에 집중하는 고효율 연구로 글로벌 기업들과 경쟁할 수 있는 기술을 개발하고 있습니다. 어느 시점에서는 우리나라의 글로벌 기업들도 동일 목표를 갖고 연구에 참여하면 좋을 것 같습니다. 저희 센터는 그럴 수 있는 터를 닦아놓기 위해 노력하고 있습니다.



▶ 우리나라 양자 기술의 현황과 경쟁력을 키우기 위해 필요한 요건이나 지원은 무엇이라고 생각하십니까?


양자 기술은 모든 나라에서 핵심적인 미래기술로 관리되고 있기때문에 선진 연구그룹으로부터 기술을 사오거나 공동연구를 하여 핵심 연구 결과를 이전받는 형태가 거의 불가능합니다. 그래서 국내 연구자들의 역량으로 개발해야 합니다. 우선은 큐비트 연구자들의 양성이 필요합니다. 큐비트가 양자 기술에 있어 굉장히 중요한데 우리나라에는 아직까지 저변이 매우 부족하여 발전이 더딜 수밖에 없습니다. 전자공학적 측면에서는 큐비트를 정확히 제어하는 제어 기술이 필요한데, 이 부분은 국내 시스템 반도체 기술이 우수하기 때문에 강점을 가질 수 있습니다. 그런 측면에서 저희 센터에서 개발한 '양자제어칩'과 'PQC칩' 같은 기술은 이미 최고 수준으로 도달하였다는 것을 의미합니다. 즉, 가장 시급한 부분은 큐비트 연구 개발을 위한 인력 양성 지원과 기술 발전을 위한 지속적인 노력이 필요하다고 생각합니다.



▶ 앞으로 연구 방향 등 계획에 대해 말씀해 주세요. 


저희 센터는 양자컴퓨터 하드웨어 구축과 관련된 모든 기술 단계를 연구하는 곳입니다. 따라서 센터의 목표는 실물 양자컴퓨터를 직접 만들어내는 것입니다. 총 연구기간이 7년인데요. 궁극적으로는 이 기간 내에 20큐비트 정도의 양자컴퓨터를 개발하는 것입니다. 양질의 20큐비트 정도면 뛰어난 양자컴퓨터라 할 수 있으며, 우리나라도 양자컴퓨터 보유 강국이 될 수 있습니다.



▶ 이 분야로 진학을 고민하는 후배들에게 조언 부탁드립니다.


양자 기술과 관련이 있는 연구를 하는 사람들은 꽤 많을 것입니다. 다만 양자컴퓨터를 전공하는 사람이 별로 없을 뿐입니다. 사실 저도 시스템 반도체를 연구하는 사람이었습니다. 그런데 양자컴퓨터가 상용화되려면 이 시스템 반도체가 필요한 기술이기 때문에 이 연구를 시작한 것처럼 양자컴퓨터는 물리학, 전자공학, 소재공학, 그리고 컴퓨터공학의 기술까지 모두 필요합니다. 즉, 양자컴퓨터를 전공으로 한다는 것은 양자컴퓨터가 아닌 적어도 하나의 다른 공학 분야에서도 깊이있는 전문가가 될 수 있다는 것을 의미하기 때문에 두려움을 갖지 말고 도전해 보시면 좋을 것 같습니다.


확장형 양자컴퓨터 기술융합 플랫폼 센터 소개 >>

2021년 12월