양자컴퓨터로 블록체인을 포함한 현재의 암호체계를 무력화할 수 있다는 말이 있다.
그럼 과연 양자컴퓨터가 정말 실현될 수 있을까?
만약 양자컴퓨터가 실현된다면, 악의적인 이용으로 기존 클라우드와 전산망을 비롯한 세계 인터넷망에 실질적인 혼란을 야기할 수 있을까?
오늘은 양자컴퓨팅의 개념과 현재 기술사례들, 과기정통부는 현상황을 어떻게 바라보고있을지에 대해 조사하였다.

index

1. 양자 컴퓨팅이란?
2. 양자 컴퓨팅 우월성이란?
3. 큐비트(=양자비트)란?
4. 양자컴퓨팅의 원리
5. 양자컴퓨팅의 구성요소
6. 현재 양자 기술 사례
   6-1. IBM의 오류 완화 양자 프로세서, 이글(Eagle) - 네이처 등재
   6-2. SKT 3세대 SP라이다, 양자통신과 양자센싱
   6-3. KT 2km 무선 QKD 시연 성공
7. 양자컴퓨팅에 대응하는 자국의 방향성

1. 양자 컴퓨팅이란?

<개념>
컴퓨터 과학, 물리학, 수학의 여러 측면으로 이루어진 종합적 분야로서 양자역학을 활용해 기존의 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 문제를 해결하는 것.

<특징>

• 중첩 및 양자 간섭과 같은 양자역학적 효과를 활용하여 기존의 컴퓨터보다 빠르게 특정 유형의 문제를 해결할 수 있다!
• 양자역학의 성질을 이용한 새로운 방법으로 계산을 수행한다.

  양자역학이란,
  미시적 수준에서 입자의 행동을 연구하는 물리학 분야.
  아원자 수준에서, 입자가 어떻게 행동하는지 설명하는 방정식은 우리 주변의 거시적인 세계를 설명하는 방정식과는 다르다.

  아원자란,
  중성자, 양성자, 전자처럼 원자보다 작은 입자를 의미한다

- 양자 컴퓨터가 이런 속도 향상을 제공할 수 있는 애플리케이션으로는 기계 학습(ML), 최적화, 물리 시스템 시뮬레이션 등이 있다.

2. 양자 컴퓨팅 우월성이란?

<개념>
최고의 고전 컴퓨터가 어떤 종류의 합리적인 시간에도 시뮬레이션할 수 없는 연산을 수행할 수 있는 양자 시스템을 구축하는 임계값

3. 큐비트(=양자비트)란?

<개념>
양자 컴퓨팅에서 사용되는 기본적인 정보 단위로, 고전 컴퓨터의 비트와 유사하다.

<특징>

• 고전적인 기계의 프로세서는 비트를 조작함으로써 모든 작업을 실행한다.
• 비트와의 차이점은, 큐비트는 양자 현상인 중첩과 얽힘 등의 특수한 특성을 가지고 있다.
• 양자 프로세서는 큐비트를 처리함으로써 모든 작업을 수행한다.

4. 양자컴퓨팅의 원리

1. 중첩
   • 고전 물리학의 파동처럼 두 개 이상의 양자 상태를 추가할 수 있으며,
   • 그 결과는 또 다른 유효한 양자 상태가 될 것이라는 원리
2. 얽힘
   • 두 시스템이 너무 밀접하게 연결되어 있어, 두 시스템이 이 얼마나 멀리 떨어져 있든 한 시스템에 대한 지식이 다른 시스템에 대한 즉각적인 지식을 제공할 때 발생함.
3. 결잃음
   • 큐비트에서 양자 상태의 손실
   • 방사선과 같은 환경 요인은 큐비트의 양자 상태를 붕괴시킬 수 있기때문에, 양자 컴퓨터를 구성하는 데 있어 큰 엔지니어링 과제는 외부 필드로부터 큐비트를 보호하는 특수 구조를 구축하는 것과 같이 상태의 비일관성을 지연시키려는 다양한 기능을 설계하는 것

5. 양자컴퓨팅의 구성요소

양자컴퓨터 상용화의 걸림돌은 오류에 있다.

=> 큐비트는 외부,내부적 영향을 쉽게 받고,
=> 양자 상호작용은 복잡하고 예측하기 어려운 성질을 가지고 있기때문에 불안정하다. 즉 오류가 쉽게 발생한다

• 큐비트의 여러 가지 상태로 인해 오류가 발생할 가능성이 크다.
• 그래서 양자컴퓨터 상용화에는 오류 완화가 필수적이다.
• 23년 2월, 구글과 IBM은 오류를 완화할 수 있다는 실험 결과를 발표했다.

오류를 정정하는 것이 가장 확실한 방법이지만,

아직까진 오류를 완화하는 것이 최선이며 정정에 대한 기술은 아직은 해결하기 어렵다(IBM 연구진 중 김영석 박사)

6. 현재 양자 기술 사례

6-1. IBM의 오류 완화 양자 프로세서, 이글(Eagle) - 네이처 등재

• 23년 6월 14일, 자성 물질의 동작을 계산하는데 성공

  독일의 물리학자 이징이 제안한 과제를 해결함.
  슈퍼컴퓨터로도 해결하지 못하였으나,
  양자프로세서 이글(Eagle)로 오류를 완화한 모델을 사용한 결과 1/1000 초만에 문제를 해결했다.
  

  기사링크 :
  https://n.news.naver.com/mnews/article/366/0000912121?sid=105

6-2. SKT 3세대 SP라이다, 양자통신과 양자센싱

양자 컴퓨팅 이외에도, 정보통신기술(ICT) 영역에서 양자의 특성을 활용해 혁신을 이룬 사례들을 주목해야 할 것이다.

• 국내에선 SKT·KT·LG유플러스 등 통신3사를 중심으로 양자기술의 상용화가 활발하게 이뤄지고 있음

• SK텔레콤의 경우 이번 행사에서 미세한 크기의 양자를 검출해 이를 전기신호로 바꾸는 양자센싱 기술을 강조
  

• 이를 이용하면 암실에서도 사진을 찍을 수 있다.

• 라이다가 몸에 적외선을 쏘고,

• 적외선이 날아오는 시간을 계산해 거리로 환산한다.

• 그리고 다시 거리를 좌표로 환산하여 물체를 표현하는 원리이다.

• 특히 센서에 양자기술이 활용되면, 반사된 레이저에 대한 민감도가 높아져 인식 거리가 기존 라이다(최대 100m)대비 3배까지 확되 될 수 있다고 한다.

  기사링크
  http://m.ddaily.co.kr/page/view/2023062707405375446

6-3. KT 2km 무선 QKD 시연 성공

• QKD는 무선 양자암호키분배기 장비

  양자암호는 크게 두가지로 나뉜다.
  1. 양자암호키분배기(QKD)
  양자 난수를 기반으로 한 암호키를 생성
  2.양자내성암호(PQC)
  양자컴퓨터로 풀어내는데 수십억년이 걸리는 복잡한 수학 알고리즘을 사용한 암호화 방식

• SK텔레콤과 KT는 QKD,LG유플러스는 PQC에 집중해왔다.

• 특히 KT는 지상으로 사용이 한정된 양자암호통신기술을 항공·우주에서도 사용할 수 있도록 무선 QKD를 구현

• 2022년 5월엔 국내 최장거리인 1㎞ 무선 QKD 시연에 성공

• 현재는 10㎞ 국내 무선 QKD 기술 개발을 추진 중이다. 최근엔 2㎞ 시연에도 성공

기사링크
http://m.ddaily.co.kr/page/view/2023062707405375446

7. 양자컴퓨팅에 대응하는 자국의 방향성

과학기술정보통신부에 따르면, 나노기술혁신을 통해 9대 난제를 헤쳐 나가야 할 것이라고 바라보고 있다.

9대 난제

1. 메타버스
2. 양자컴퓨팅
3. 탈탄소사회
4. 초거대AI 반도체
5. 환경오염 해결
6. 스마트농업 및 안전식품 유통
7. 디지털 헬스케어
8. 우주개척
9. 신뢰 가능한 안전한 삶

(난제 해결을 위한) 상세나노기술지도

1. 나노정보전자
2. 나노에너지
3. 나노환경
4. 나노 바이오
5. 나노 기반

• 2023년 6월26일, 국가나노기술지도(2023∼2032년)안'을 심의·의결했다.

기사링크:
http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2023062602109931731008

소감

조사를 하기까지 '양자'에 대해 막연한 의심이 있었다. '과연 양자컴퓨팅을 내 피부로 느끼는 날이 올까?' 생각했다.

IBM의 양자 컴퓨팅 오류완화 모델이 네이처지에 올랐다는 사실에 많이 놀랐다.
개발 된다, 안된다 갑론을박이 많았는데 그 어렵다고 하는 분야에 있어서

'누군가는 이 분야에 진심으로 파고들고있고, 성과를 내고 있구나'

라는 생각을 했다.

나도 언젠가 개발의 한 분야에 빠져서, 많은 사람들이 사용하는 서비스를 만들고싶다는 생각을 다시금 느낄 수 있었다.

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포스팅을 하면서 양자컴퓨팅의 기술발전 방향과 개념에 대해 맛보기로나마 알 수 있었다.

심지어 SKT와 KT같은 국내 통신기업도 양자를 활용한 센서,암호분배키를 개발하고있다는 것이 놀라웠다.

앞으로 양자컴퓨팅 뿐만 아니라 양자 관련 기술에 대한 이해도 필요할 것이다.
양자와 관련된 이야기들을 앞으로도 종종 다루어야겠다.