상용화된 양자 컴퓨터-양자 어닐링 머신이란 것이 있다고 합니다.

안녕하세요?

이번 포스팅에서는 먼 너라의 이야기로만 들었는 양자 컴퓨터라는 것이, 이제 실제로 상용화에 성공한 사례가 있다는 소식을 Newton(뉴턴) 2017년 5월호에 [신형 양자 컴퓨터-NASA와 Google이 구입해 주목받은 '양자 어닐링 머신'이란?]이라는 기사에서 들었습니다.

본격적인 포스팅에 들어가기에 앞서서, 먼저 양자 컴퓨터라는 것에 대해서 간략하게 설명을 해야만 하는데, 기존의 컴퓨터는 아래의 그림과 같이 0과 1의 반복을 이용해서 계산을 수행합니다.

위 그림에서 묘사되는 것 처럼, 기존의 컴퓨터는 전구가 꺼진 상태처럼 전류가 흐르지 않으면 0이라는 신호로 받아들이고, 전류가 들어오면 1이라는 신호로 처리합니다. 그리고 이런 0과 1의 신호가 합쳐져서 계산이라고 해야 할까요? 컴퓨터로써 연산을 수행합니다.

그럼 양자 컴퓨터는 어떻게 하느냐 하는 의문이 생기는데, 우선 양자 컴퓨터는 입자의 회전 방향을 측정하는 것으로 1과 0의 상태를 얻을 수 있습니다. 그런데 양자 컴퓨터의 특이한 점은 0과 1이 중첩되는 상태라고 해서, 입자가 시계방향과 반시계 방향으로 모두 회전하는 상태를 이룰 수 있다고 합니다. 그렇게 되면 0과 1의 중첩상태를 이용, 기존의 컴퓨터가 보여주는 연산속도 보다 훨씬 빠른 연산속도를 보여준다고 합니다.

그럼 본격적인 포스팅으로 들어가서, 이러한 양자 컴퓨터를 아직까지 사용화에 성공한 사례는 없었는데, 상업적으로 이용이 가능하게 된 '양자 어닐링 머신'이란 것은 1985년에 영국의 물리학자 데이비드 도이치(David Elieser Deutsch)가 고안했으나, 2011년 캐나다의 벤터 기업인 D-wave system이라는 기업이 상용화에 성공을 하였다고 발표를 하였습니다.

그런데 D-wave가 발표한 양자 컴퓨터는 기존의 양자 컴퓨터와 다르게 작동을 하기에, 양자 어닐링(Quantum Annealing)머신으로 부른다고 합니다. 특징으로는 기존의 컴퓨터처럼 범용성이 있는 것이 아니라, 오직 조합을 하는 과정에서 가장 최적의 조합을 찾아주는 일에만 최적화가 되어 있다고 합니다. 그 원리를 설명하기 위해서 먼저 아래의 그림을 봐 주시기 바랍니다.

먼저 나이오븀(Nb)라는 금속으로 위 그림에서 묘사한 것과 같은 금속의 링으로 가공을 합니다. 이러한 링들이 양자 어닐링 머신에 사용이 되는데, 아래의 그림과 같이 전류가 흐르면 각각 다른 방향으로 자기장을 발생 시킨다고 합니다.

위 그림에서 묘사된 것처럼 반시계 방향으로 전류가 흐르면 1, 시계 방향으로 전류가 흐르면 0이라고 가정을 했을때, 양자 컴퓨터의 중요한 특징인 중첩상태가 가능한가 여부인데, 아래와 같은 조건에서 중첩상태가 일어나게 됩니다.

절대영도 상태인 영하 273.15℃ 가 되면, 나이오븀으로 만들어진 금속고리-링은 초전도체 상태가 됩니다. 이러한 상태의 나이오븀링은 시계 방향과 반시계 방향, 두 방향 모두 전류가 흐르기 때문에 중첩상태가 된다고 합니다.

이런 중첩상태일 때, 횡 자기장이라고 해서 횡 방향으로 자기장을 걸어주면, 나이오븀 링의 온도가 올라가서 초전도체 상태가 해제되게 됩니다. 일단 Newton의 기사만 가지고는 자세하게 알 수는 없었지만, 나이오븀 링을 한개만 쓰는 것이 아닌, 여러개를 사용하는데, 링마다 서로 영향을 받도록 합니다. 이때 서로간에 영향을 받는 세기를 조절한다고 하는데, 어떻게 조절을 하는 지는 나오지 않았습니다.

횡 자기장을 걸어 주었다가 이를 점점 약하게 하고, 그만 걸어주게 되면 위 그림과 같은 현상이 일어나서 각각의 나이오븀 링에 전류가 시계방향이나 반시계방향 한쪽으로만 흐르게 되는 현상이 발생하게 됩니다. 이 방향이라는 것은 각각의 나이오븀 링이 서로 주고받는 영향에 따라 다르며, 다양하게 나이오븀 링간의 영향력을 조절하는 것으로 조합을 바꾸어 나갑니다.

위 그림은 모든 나이오븀 링이 한쪽방향(시계방향)을 향할 때 일 경우를 나타낸 것입니다. 이처럼 한쪽으로만 자기장을 발생하게 되면, 가장 극명하게 아랫쪽 코일에서 유도전류가 발생하게 되고, 이는 곧 아랫쪽 코일에서만 높은 신호가 나오는 것으로 관측이 됩니다. 

이러한 과정을 수천번 반복하는 것으로 양자 어닐링 머신은 신호를 측정하게 되고, 나이오븀 링간의 조합을 다양하게 바꾸는 것을 통해서 조합을 바꾸어 나가게 됩니다. 얼핏 보면 조합을 하기 위해 나이오븀 링간 영향력을 조절하는 시간이 많이 걸리고, 횡 자기장을 걸어주어서 나이오븀 링에서 한쪽 방향으로만 전류가 흐르는 것에도 시간이 많이 걸리는 것 같아 보이지만, 실제로는 기존의 컴퓨터가 8년 이상 걸리는 최적화된 조합을 찾는 일을 비교도 안되게 빠른 시간안에 끝 낼 수 있다고 합니다.

진짜로 D-wave사가 상용화를 성공한 양자 어닐링 머신에는 QPU라고 해서 Quantum Process Unit이 들어가 있으며, 이를 냉각하기 위한 대형 냉각장치가 들어가 있다고 합니다.

물론 Newton의 기사를 읽고나서 양자 어닐링 머신에 대해서 이해를 하였다고 생각을 할 수는 없습니다. 하지만 이번 기사를 통해서 양자 컴퓨터가 우리 곁으로 다가오는 것이 그렇게 멀지 않은 미래라는 생각이 듭니다. 물론 이번 포스팅에서 소개한 양자 컴퓨터의 일종인 '양자 어닐링 머신'은 조합에만 특화되어 있기 때문에, 기존의 컴퓨터와 결합한 '하이브리드'방식이 주를 이룰 것으로 전망하고 있습니다.

즉, 조합의 최적화를 찾아내는 문제만은 양자 어닐링 머신에 맡기고, 그 이외의 부분은 기존 컴퓨터로 처리하는 방식이 사용될 것이라고 보고 있습니다. 이러한 방식으로 우리가 어느날 양자 컴퓨터를 사용할 수 있다고 생각을 하면, SF소설의 먼나라 이야기만은 아니라는 생각이 듭니다.