[양자 컴퓨터②] 클라우드 기반 ‘양자 컴퓨팅 서비스’ 주목

슈퍼 컴퓨터를 뛰어넘는 양자 컴퓨터에 대한 관심이 고조되며, 많은 글로벌 기업은 양자 컴퓨터를 활용해 비즈니스 문제를 해결하고자 노력하고 있다. 이에 양자 컴퓨터에 대한 기본 개념과 함께 AWS의 양자 컴퓨팅 서비스인 ‘아마존 브라켓(Amazon Braket)’을 중심으로 양자 컴퓨팅 솔루션을 연속 기획으로 살핀다.

① 양자 컴퓨팅 개념과 등장 배경
② 양자 컴퓨터 구분법 및 활용 사례
③ AWS 양자 컴퓨팅 서비스 ‘아마존 브라켓’ 1편
④ AWS 양자 컴퓨팅 서비스 ‘아마존 브라켓’ 2편
⑤ AWS 양자 컴퓨팅 서비스 ‘아마존 브라켓’ 3편
⑥ AWS 양자 컴퓨팅 서비스 ‘아마존 브라켓’ 4편

양자 컴퓨터 구분법
양자 컴퓨터를 분류하는 방법은 다양하다. 그러나 큰 틀에서는 다음과 같은 두 가지 관점으로 분류할 수 있다.

가장 일반적인 분류법은 다양한 알고리즘을 양자 게이트를 조합해 수행할 수 있는 범용적 특징을 갖는 양자 게이트형(만능형)과 조합(combination) 문제에 특화된 방식인 양자 어닐링(annealing) 형으로 나뉜다. 일반적으로 말하는 양자 컴퓨터는 주로 양자 게이트형 방식을 의미한다.

양자 컴퓨터의 오류 정정 유무에 따라 구분할 수도 있는데 ▲노이즈의 영향을 제거할 수 있는 오류 정정 기능을 가지는 이상적인 양자 컴퓨터인 만능형 양자 컴퓨터와 ▲오류 정정 기능을 제공하지 못하는 비(非)만능 양자 컴퓨터인 NISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum)형으로 구분하기도 한다. 

현재의 양자 기술로는 양자 오류를 제거할 수 없기 때문에 NISQ형 방식이 양자 컴퓨터라 할 수 있으며, 만능형 앙자 컴퓨터로 가기 위한 과도기 단계에 있다고 할 수 있다. 완전한 양자 컴퓨터인 만능형의 구현은 매우 높은 기술 난이도로 인해 10년 이상의 시간이 소요될 것으로 예상된다.

양자 컴퓨터 관련 다양한 용어
다음에 소개할 아마존 브라켓에 대한 이해를 돕기 위해 몇 가지 양자 컴퓨팅 관련 용어들을 우선 정의해 본다. 다음에 소개하는 개념들은 비단 아마존 브라켓뿐 아니라 양자 컴퓨터의 동작 원리를 위해서는 반드시 알아야 하는 기본적인 용어들이다.

· 양자: 원자를 포함해 원자보다 작은 입자들을 모두 양자라고 부르며, 입자와 파동이라는 두가지 특징이 동시에 존재한다. 양자 중첩, 양자 얽힘과 같은 양자 세계에만 적용되는 독특한 양자의 법칙이 존재한다.

· 양자 비트: 고전 역학을 따르는 현실 세계에서는 하나의 이진 논리 비트가 오직 0 또는 1의 한 가지 값을 100%의 확률로 가지게 되지만, 양자 세계에서의 비트는 양자 비트 또는 큐비트(qubit)라고 불리며 양자 역학의 법칙에 따라 0과 1의 상태가 중첩된 상태로 존재한다. 즉 0과 1이 특정 확률로 동시에 존재하게 된다. 

여러 상태를 한 번에 표현할 수 있는 이러한 특징으로 인해 큐비트는 한번에 많은 정보량을 동시에 처리할 수 있게 된다. 예를 들어 3개의 큐비트로 8개의 상태(000, 001, …, 111)를 한번에 나타낼 수 있으며 이러한 8개의 수가 각각 마찬가지로 특정 확률로 존재하게 된다. 따라서 슈퍼 컴퓨터를 포함한 고전 컴퓨터 대비 계산 횟수를 비약적으로 줄일 수 있게 된다. 원자와 같은 작은 입자가 큐비트가 되기 위해서는 양자 중첩 및 양자 얽힘이 구현돼야 하며, 큐비트 구현을 위해 초전도체, 이온 트랩, 광자, 중성 원자 방식의 다양한 방법들이 사용되고 있다. 

· 양자 회로: 일반 디지털 전자 회로에서 ‘AND’, ‘XOR’ 등과 같은 논리 게이트를 이용해 0과 1로 이뤄진 이진 회로를 설계하듯이 양자 컴퓨팅에서도 큐비트를 사용해 계산 결과를 도출하기 위해 양자 논리 회로, 즉 양자 게이트를 이용하게 된다. 이 때 양자 게이트를 조합하면 특수한 역할을 수행하는 회로를 수행할 수 있는데 이를 양자 회로라 한다. 따라서 하나의 양자 회로는 다수의 양자 게이트로 이뤄져 있으며, 프로그래밍을 통해 양자 비트를 변환시키는 측면에서 양자 회로는 양자 알고리즘이라 불리기도 한다.

· QPU(Quantum Process Unit): 양자 컴퓨터 내에서 연산을 처리하는 양자 연산 장치를 QPU라고 한다. QPU는 큐비트와 큐비트 연결에 사용되는 배선으로 구성된다. 고전 컴퓨터에서의 CPU와 유사한 개념이라고 할 수 있다. QPU 외부의 펄스 제어 장치가 양자 알고리즘(회로)에 따라 특정 큐비트에 마이크로파 또는 레이저를 쏘아 양자 비트의 상태를 변환시키게 된다.

· 샷(shot): 양자 컴퓨팅에서의 결과는 측정 시 마다 결과가 바뀌는 특성 때문에 본질적으로 확률적이다. 이는 양자 중첩 현상에 의해 모든 큐비트는 0과 1이 특정 확률로 동시에 존재하며, 측정 시 한 가지 값으로 결정되기 때문이다. 즉 수행할 때마다 결과가 다르기 때문에 정확한 결과를 얻으려면 동일 회로를 여러 번 평가해야 한다. 샷의 수가 증가할수록 결과에 대한 정확도는 높아진다. 이 때 특정 양자 알고리즘(회로)을 한 번 실행하는 것을 샷이라 한다.