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신소재/부품 양자컴퓨팅 분야의 나노 기술/소재 개발동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-08-05 11:50:00
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○ 양자 컴퓨터는 양자역학적인 상태를 겹침으로써 병렬성을 실현하고, 연산을 실행하는 컴퓨터임. 기존의 컴퓨터의 논리 게이트를 대신하여 양자 게이트를 이용하여 양자 컴퓨팅을 하는 양자 게이트 타입과 양자 상태 간에 일어나는 터널 현상을 적극적으로 이용하여 조합을 최적화함으로써 문제를 빠르게 해결하는 양자 어닐링(Quantum Annealing) 타입, 이렇게 두 종류가 있음. 양쪽 다 지금의 슈퍼컴퓨터로는 의미 있는 시간 안에 풀기 어려운 문제를 빠르고 소비전력이 낮은 상태에서 계산할 수 있고 고도의 스마트 사회를 이끄는 인공지능 개발에는 빼놓을 수 없는 기계학습이나 딥 러닝을 고속화함. 그와 동시에 다른 분야에서도 신약이나 신문물의 개발, 복잡한 조합 문제의 최적화, 로보틱스 등에 응용할 수 있을 것으로 기대됨.

 

○ 난수의 소인수분해나 최적화(순회 세일즈맨 문제)와 같은 문제에서는 계산 시간(스텝 수)이 문제에 비례하여 지수 함수적으로 증대되는 경우가 있어서 계산이 불가능한 문제로 여겨짐. 그래서 지금의 컴퓨터는 할 수 없는 일부 계산을 가능하게 하는 계산 방법으로서 양자 컴퓨팅이 주목 받고 있으며, 이를 실현시키는 디바이스를 개발해야 할 것임. 또한 지금의 하이 퍼포먼스 컴퓨팅(HPC)이 엄청난 시간과 소비전력을 가진다는 문제도 양자 컴퓨팅에 의해 일부는 단시간 안에 해결할 가능성도 있어서 슈퍼컴퓨터 센서의 전력을 아끼는데 기여할 것으로 보임.

 

○ 양자 컴퓨팅을 실현시키는 장치로서, 양자 게이트 방식(각 양자 비트에 대한 게이트 조작을 통해 성립하는 방식)의 양자 컴퓨터, 양자 이징 머신(Quantum Ising Machine) 방식의(양자 현상을 이용한) 최적화 장치가 있음.

 

▪ 양자 게이트 방식의 양자 컴퓨팅

 

○ 양자 비트를 준비하고, 프로그램에 따라 양자 비트에 Unitary 연산이나 측정을 하게 함으로써 답을 구하는 계산기임. 소인수분해 등을 아주 효율적으로 실행할 수 있는 컴퓨터임. 양자역학적 겹치기나 얽힘에 기초한 양자 병렬성에 의해 기존의 계산기로는 불가능하다고 여겨지던 유형의 계산을 연산할 수 있게 되는 컴퓨터임.

 

○ 집적화가 가능한 양자 비트(Qubit)의 후보로서, 초전도 조셉슨 접합을 사용한 거시적 양자 상태를 이용하는 것(초전도 양자 비트)이 있음.

 

○ 초전도 양자 비트의 특징은 리소그래피로 제작되는 거시적이며 인공적인 전기회로 위에 실현하는 양자계라는 점임. 마이크로파의 에너지 준위간격을 가지고 잡음을 피하기 위해 약 10mK의 저온 환경 하에서 제어된다는 제약이 있음.

 

- 하지만, 기판 위에 집적화할 수 있어, 기존의 희석 냉동기 중에서도 100~1000 양자 비트의 집적회로 실장이 가능할 것으로 판단됨.

- 아직 본격적인 양자 컴퓨터를 실현하기에는 충분하지 않지만, 가장 선진적인 테스트 베드 시스템으로서 오류내성 양자계산의 기본 실증을 위한 시도가 이루어지고 있음.

 

○ 집적화를 목표로 하는 연구와 병행하여, 초전도 양자 비트의 거대한 쌍극자 모멘트를 활용한 인공 양자계에 대한 양자역학 연구가 성행하고 있음. 또한 마이크로파 양자광학의 기초 학리(다이아몬드 양자 비트 등과 조합한)나 하이브리드 양자계에 관한 연구도 진행 중. 양자 비트나 초전도 공진기의 양자 상태를 비파괴 측정할 수 있게 되어, 관측과 Decoherence, 피드백에 관한 기초 연구가 진행되고 있음. 또한 마이크로파 양자 상태의 제어ㆍ관측 도구로서, 파라메트릭 증폭기나 단일 광자원ㆍ단일 광자 검출기 등이 개발되어, 표준 양자 한계를 넘는 고감도 계측 기술에 응용될 것으로 기대됨.

 

▪ 양자 어닐링 머신

 

○ 일본 도쿄 공업대학의 니시모리 히데토시 교수와 카도와키 세이시(現, 츠쿠바 대학 교수)가 고안한 양자 어닐링(Quamtum Annealing) 이론은 양자 효과를 제어하여 최적화하고자 하는 문제의 목적 함수의 최솟값을 찾는 장치임. 여기서는 양자 비트를 2차원으로 배치하고, 모든 양자 비트 사이의 상호작용을 차단, 각각의 양자 비트를 0과 1을 조합한 상태로 설정한 다음, 최근접 양자 비트 사이의 상호 작용을 단열적으로 서서히 강화함. 이때, 상호작용을 어떤 양자 비트 사이에서 어디까지 강화할 것인지(강화하지 않을 것인지)가 프로그래밍에 해당함. 그리고 그 양자 스핀계 전체 에너지의 최소 상태를 찾아내는 문제로 치환함으로써 답을 찾음. 각각의 스핀은 양자 비트에 대응하며, 초전도 회로에서 구체화됨. 스핀 사이의 상호작용은 초전도 회로로 이루어진 프로그래머블 자기 메모리로 구성되어, 조합 최적화 문제에 따라 상호작용의 크기를 설정하고 문제를 풂.

 

○ 최적화의 표준적인 방법인 시뮬레이티드 어닐링에서는 계 전체를 고온에서부터 천천히 식히면서 열유동을 이용하여 기저 상태에 도달하는 것을 목표로 함. 그런데 양자 어닐링에서는 계 전체를 가능한 한 저온으로 유지함으로써 열유동을 억제하고, 거기에 양자요동을 가함으로써 터널 효과를 이용하여 최저 에너지 상태에 도달하는 것을 기다림. 스핀 글래스로 알려진 여러 개의 스핀 사이의 상호작용을 이용하는 이 방법은 물리용어인 이징 모델로 기술할 수 있음. 순회 세일즈맨 문제와 같은 이산적 최적화 문제를 이징 모델에 매핑할 수 있다는 것으로 인해, 유용할 것으로 기대됨. 일반적인 양자 비트에서는 위상 유지라는 양자 특유의 상황도 맞물려서, 논리 양자 비트의 정보를 유지하기 위해 양자 오류 정정에 의한 대규모적인 양자 조작이 필요함. 하지만 양자 어닐링은 최저 에너지 상태에 도달하는 것을 기다린다는 점에서 자연을 거스르지 않는다는 특징이 있음. 그러나 위상을 유지하는 간섭성을 잃게 되면 양자 어닐링은 효과를 발휘하지 않는다는 것에도 유의해야 함.

 

▪ 코히런트 이징머신

 

○ 기존의 디지털 코히런트(Coherent) 통신 기술을 발전시켜 조합 최적화 문제를 효율적으로 푸는 방법임. 빛을 이용하기 때문에 빠르고 실온에서 동작하며 정점 수 2만의 완전 그래프 문제를 풀기 위해 현대의 정밀 보정 컴퓨터로 20일이 걸리는 문제를 1미리 초 만에 근사값을 얻어내는 최적화 장치임. 2만 펄스의 레이저가 2만 정점 수와 1대1로 대응하여, 레이저의 간섭성을 온전히 활용한다는 점에 있어서 양자 컴퓨터로 분류됨. 하지만 실제로는 얽힘과 같은 양자성은 사용하지 않는다는 점에 있어서 현재의 고전적인 레이저 기술을 온전히 활용할 수 있다는 것이 장점임.

 

 

[2019 나노테크놀로지나노융합산업 기술개발 전략과 시장 동향] 보고서 상세 보기

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