‘양자정보통신 오류정정 기술’ 주역 허준 고대 산학협력단장
‘양자정보통신 오류정정 기술’ 주역 허준 고대 산학협력단장
  • 이경원 기자
  • 승인 2020.05.02 21:27
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

양자컴퓨터 상용화 발목 잡는 ‘오류’를 잡아낸다

 

허준 고려대학교 산학협력단장.<이경원>

양자컴퓨터는 양자정보통신의 한 줄기로 파급력이 큰 신기술로 꼽힌다. 현재 우리가 사용하고 있는 디지털컴퓨터와는 다른 양자역학 기본 원리를 이용해 특정분야의 연산 속도를 획기적으로 향상시키는 컴퓨터다. 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1000년이 걸리는 계산이 양자컴퓨터로는 15분 이내에 해결될 수 있다고 알려져 있다. 이에 따라 신약개발, 암호분석 등 계산이 매우 복잡한 분야의 활용 가능성이 기대되고 있다.

연산은 빠른데 그 결과를 신뢰할 수 없다면? 양자컴퓨터는 무의미할 것이다. 양자컴퓨터의 연산 과정에서 발생할 수 있는 오류를 없애기 위한 ‘양자오류정정부호’ 기술이 함께 개발돼야 하는 이유다. 다만 양자컴퓨터에 적용되는 오류정정부호는 현재 사용하는 디지털 기반 오류정정부호에 비해 부가회로가 많이 요구되는 등 구현이 매우 어렵다는 점이 양자컴퓨터 상용화의 발목을 잡고 있다. 현재 전 세계적으로 양자컴퓨터에 완벽한 오류정정부호 기술을 적용해 본 사례는 없다. 아직 이론뿐인 셈이다.

지난 4월 23일 서울 성북구 안암동에 위치한 고려대학교 산학협력단장실에서 허준 산학협력단장을 만나 이에 대한 이야기를 들었다. 허 단장은 “아이러니하게도 양자컴퓨터는 양자의 속성인 ‘얽힘’ ‘중첩’을 이용해 획기적인 계산이 가능한 반면, 또 다른 속성인 ‘복제불가능성’으로 인해 외부 영향에 취약해 오류 발생 가능성도 높다”며 “완전한 양자컴퓨터를 구현하려면 양자오류정정부호 문제를 반드시 돌파해야 한다”고 강조했다.

-양자정보통신이란 무엇인가요?

“양자정보통신이란 양자암호통신·양자센서·양자컴퓨터를 아우르는 용어로 4~5년 전에 정부에서 범부처 양자연구를 진흥하기 위해 기존 ICT(정보통신)에 대응하는 개념으로 만든 용어입니다. 이중에서 양자암호통신은 QKD라고 부르는 양자암호를 지칭하며 SK텔레콤 등에서 시제품 개발을 이미 완료해 사업화하고 있는 영역입니다. 양자센서는 기존 센서의 감지 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 양자물리학 기반의 센서를 지칭하며 무인자동차 등에 사용될 방향 감지 센서 등입니다. 양자컴퓨터는 현재 우리가 사용하고 있는 디지털컴퓨터와는 다른 양자역학 기본 원리를 이용해 특정분야의 연산 속도를 획기적으로 향상시키는 컴퓨터를 말합니다.”

-‘양자정보통신을 위한 양자오류정정 기술’은 어디에 해당되는 기술인가요?

“양자정보통신은 양자암호통신·양자센서·양자컴퓨터를 총칭하는 용어이며 양자오류정정부호는 그 중에서 양자컴퓨터에 적용되는 기술입니다.”

-양자컴퓨터는 어디에 특화됐나요?

“양자컴퓨터는 양자역학의 특성 중에서 특히 중첩성과 얽힘성을 기반으로 하여 현재 사용하고 있는 디지털컴퓨터 보다 획기적으로 연산이 빨라지게 됩니다. 가령 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1000년이 걸리는 문제가 양자컴퓨터로는 15분 이내에 해결될 수 있습니다. 그러나 양자컴퓨터가 현재 사용하는 노트북이나 데스크톱과 같은 모든 컴퓨터를 대체하는 것은 아닙니다. 양자컴퓨터는 특정연산(현재까지 알려져 있는 분야는 암호해독, 데이터검색 등) 분야에 적용 가능하며 문서편집이나 인터넷 검색 등의 기능은 디지털컴퓨터를 대체 할 수 없습니다. 향후 10년 이후에는 연구소, 정보기관 등과 같은 곳에서 소수의 양자컴퓨터가 활용될 것으로 예상되며 20년 이후에는 보다 보편적으로 널리 사용될 것으로 예상됩니다.”

-향후 어떤 분야에 활용될 수 있나요?

“신약개발, 암호분석 등 계산이 매우 복잡한 분야에 특화돼 사용될 것으로 예상됩니다.”

-양자오류정정부호 기술은 뭔가요?

“양자오류정정부호란 양자컴퓨터를 구성하는 양자회로가 동작하는 과정에서 발생하는 오류를 정정해 양자컴퓨터가 신뢰도 있게 동작하도록 만드는 기술입니다. 양자컴퓨터의 구성 최소 단위인 큐빗은 중첩성, 얽힘 등 양자물리학 고유의 특성을 갖게 되며 이것이 양자컴퓨터의 성능을 획기적으로 향상시키는 열쇠입니다. 다만 이러한 양자물리학 특성은 아주 작은 외부 영향으로도 쉽게 붕괴될 수 있어서 오류를 발생시킵니다. 양자오류정정부호는 이러한 양자정보가 장시간 유지되도록 도와주는 기법입니다. 이렇게 양자오류정정부호가 결합된 큐빗을 논리적 큐빗이라 부르고 그렇지 않은 큐빗을 물리적 큐빗이라 부릅니다. 하지만 양자오류정정부호를 구현하려면 매우 많은 부가회로가 필요해서 양자오류정정부호를 탑재한 양자컴퓨터의 실용화는 10년 이내의 가까운 미래에는 예상하기 어렵습니다. 따라서 최근에는 양자오류정정부호를 사용하지 않고 오류가 일부 포함된 불안한 상태지만 물리적 큐빗을 그대로 활용하는 양자컴퓨터인 NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)형태의 양자컴퓨터가 가까운 장래의 양자컴퓨터 모습으로 인정되며 해당 연구가 활발하게 진행되고 있습니다.

그래프를 이용한 양자오류정정부호 설계 예시.<허준>

-양자오류정정부호에서 요구되는 특성이 있나요?

“양자오류정정부호는 양자정보 고유의 특성인 복제불가능성을 침해하지 않으면서도 양자정보를 보호하는 원리를 활용합니다. 복제불가능성이란 양자상태의 고유 특성으로 쉽게 복사되어 확산되는 디지털정보와는 다르게 양자상태에 존재하는 양자정보는 복사하려는 순간 원래의 정보가 붕괴되고 이러한 특성이 정보의 확산을 막기 때문에 보안 측면에서 매우 우수한 장점이 있습니다. 하지만 현재 사용하는 디지털 기반의 오류정정부호에 비해 부가회로가 많이 요구되는 등 구현을 어렵게 만드는 장벽이 있습니다. 1980년대 양자컴퓨터의 이론적 가능성이 처음 연구되기 시작하였으나 오류 해결의 해법을 몰라서 구현 가능성에 대한 의구심이 많았습니다. 1990년대에 양자오류정정부호 개념이 성립되고 그 가능성이 열리면서 비로소 양자컴퓨터가 구현 가능하다는 것이 입증됐고, 그 후로 양자컴퓨터에 대한 연구가 더욱 활발하게 되었습니다. 1990년에 이론적으로 시작된 연구가 최근에는 물리적 큐빗을 구현하는 소자 특성에 맞추어 가장 실용성이 높은 방향으로 연구가 집중되고 있습니다.”

-기존에 사용되던 기법은 무엇이며, 한계점은 무엇인가요?

“디지털 정보통신에서의 양자오류정정부호는 전혀 다른 개념에서 선형대수학 기반으로 성립된 기법이며, 양자컴퓨터를 위한 오류정정 기법은 1990년대 이후에 탄생한 기법이어서 기존이라고 지칭할 만한 기법은 없습니다. 처음으로 시도되는 기법이라고 할 수 있습니다. 또한 양자컴퓨터는 양자오류정정부호의 구현 없이는 완전한 형태로 구현될 수 없고, 한 번도 양자컴퓨터에 양자오류정정부호를 대규모로 구현시킨 사례가 없어서 기존 기법의 한계를 언급하기 어렵습니다.”

-고려대 스마트양자통신센터장도 겸임하고 계시는데요.

“고려대 스마트양자통신센터는 양자정보통신 분야의 국내 최초(2015년) 인력양성 센터입니다. 현재 양자암호통신과 양자컴퓨터의 기본 원천기술을 14명의 교수가 모여서 과학기술정보통신부의 연구비 지원을 받아 6년째 연구와 인력양성을 하고 있습니다. 연구기간 동안 대학으로는 최초로 양자암호통신 시스템을 구현해 시연한 바 있으며 인공위성을 이용한 무선양자통신에 필요한 원천기술, 양자기계학습을 위한 원천기술, 양자통신중계기 구현을 위한 원천기술 분야에서 괄목할 만한 성과를 냈고, 그동안 배출된 인력이 KT, 한국과학기술정보연구원(KISTI), LG전자 등 민간과 정부출연연구소 등에 취업해 양자정보통신 사업과 연구를 리드하고 있습니다.”

-그간 교수님께서 중점적으로 연구하신 것은 무엇인가요?

“저희 연구실은 10여 년 전부터 양자오류정정부호를 연구해 오고 있습니다. 연구 초기단계에는 그 당시 세계 연구 동향에 맞춰 복잡하더라도 오류정정 능력을 최대화 할 수 있는 기법에 대해 연구했습니다. 2012년에는 기존의 선형 양자오류정정부호 개념을 비선형과 선형으로 모두 아우르는 개념으로 확대하는 연구결과를 미국 물리학회지에 발표했습니다. 2016년에는 양자 얽힘 현상을 이용하면 양자오류 정정의 성능이 향상될 수 있음을 미국 USC 대학의 Brun 교수팀과 함께 발표한 바 있습니다. 하지만 이론적으로 성능이 뛰어난 양자오류정정부호는 구현하기가 매우 어렵기 때문에 최근에는 실용적인 연구로 방향을 바꾸었습니다. 디지털회로 구성 최소단위가 트랜지스터를 활용한 비트인 것과 같이 양자회로의 구성 최소단위는 큐비트이며 이러한 큐비트는 초전도체, 이온트랩, 광소자 등과 같이 다양한 물리적 원리를 이용해 만들 수 있습니다. 각각의 물리적 특성마다 실용적인 양자오류정정부호의 구조가 달라서 최근에는 실용적인 연구에 집중하고 있습니다.”

-현재 기술 개발 단계는 어디쯤인가요?

“양자오류정정부호의 세계적 기술 수준은 수십 개의 물리적 큐빗을 이용해 2~3개의 논리적 큐빗을 만들 수 있는 단계입니다. 미국의 IBM사는 20개 이내의 물리적 큐빗을 인터넷 접속을 통해 원격으로 작동시킬 수 있는 기술을 누구나 사용 할 수 있도록 개방하고 있습니다. 국내의 양자오류정정부호 기술 수준은 이보다 낮아서 직접 구현해 본 사례는 아직 없으며 이론적으로 연구된 결과를 논문을 통해 발표하고 있습니다.”

-기술 완성도를 높이기 위해 보완되어야 할 부분은 없나요?

“양자오류정정부호 연구에 가장 필요한 부분은 다수의 물리적 큐빗을 생성하고 동작시킬 수 있는 기술을 확보하는 것입니다. 현재 구글, IBM 등에서 50~60개 큐빗을 생성하고 동작시키는 기술까지 성공한 상태이며 100개 이상의 큐빗을 넘어가는 것이 당면 목표입니다. 양자컴퓨터가 매우 보편적으로 활용되려면 수 천 만개 이상의 큐빗이 필요하며 그 중에서 상당수의 큐빗이 양자오류정정부호를 위하여 활용될 것입니다. 현재 스마트폰 안에는 수십억 개의 디지털 트랜지스터가 들어 있습니다. 이와 같이 기술의 발전이 거듭되면 머지않은 미래에 수천만 개의 큐빗을 만들 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.”

-미래 100대 기술로서 앞으로 어떻게 발전할 가능성을 가지고 있다고 생각하시나요?

“양자오류정정부호 기술의 궁극적인 목표는 양자컴퓨터를 현재 사용하고 있는 디지털컴퓨터와 결합시켜 각각의 장점을 최대로 활용하는 양자-디지털 결합 컴퓨터를 완성하는 것입니다. 결합 컴퓨터는 활용의 목적에 따라서 때로는 양자회로가, 때로는 디지털 회로가 동작하게 됩니다. 1950년대를 기점으로 전기공학에서 전자공학으로 태동이 시작되었고 그 후 약 50년이 지난 시점에서 전자공학 기반의 정보통신기술과 산업이 크게 확산되었습니다. 1900년대 초반부터 연구된 양자물리학이 이제 순수과학 영역에서 공학과 산업의 영역으로 확대되는 것이 양자정보통신입니다. 현재는 1950~60년대의 전자공학·컴퓨터 기술 수준에 머물고 있으나 향후 비약적으로 발전해 양자공학 분야가 전자공학 분야의 명성을 이어받게 될 것으로 예상되며 전자공학이 점점 발전할수록 더욱 작은 미시세계 입자를 다룰 수밖에 없고 그것이 곧 양자공학이며 양자정보통신 기술입니다.”

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

허준 단장은?

1985~1991 서울대학교 전자공학과 학사·석사

1997~2002 Univ. of Southern California Electrical Engineering Department K. Chugg

1991~1996 LG전자 영상미디어 연구소 주임연구원

1996~2002 LG반도체 중앙연구소 선임연구원

1996~1997 Stanford University, Information System Lab. (ISL) Visiting scholar

2000~2001 Trellisware Technologies Inc. Member of technical staff

2002~2003 Hynix반도체(주) System IC comp 책임연구원

2003~2007 건국대학교 전자공학과 조교수

2007~       고려대학교 전기전자공학부 교수

2015~       스마트양자통신 ITRC 연구센터 센터장

2015~       과학기술정보통신부 양자통신분과 자문위원

2019         고려대학교 기술지주회사 대표

2019~       고려대학교 산학협력단 단장

인사이트코리아, INSIGHTKOREA

댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.