국산 초전도 양자컴퓨팅 상용화 첫걸음…20큐비트 클라우드 첫 "시연"

국내 연구진이 처음으로 웹 서버를 통해 원격으로 양자컴퓨팅에 접근하고, 사용자 수요에 맞춘 ‘양자컴퓨팅 시스템 클라우드’ 시연에 성공했다.

한국표준과학연구원이 12일 KRISS 본원에서 열린 양자전략위원회 출범식에서 국내 기술로 개발한 ‘20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템’을 소개하고, '클라우드 서비스’를 시연했다.

이날 시연은 최상목 대통령 권한대행이 양자전략위원회를 주재하며 모두 발언을 진행한 뒤 지켜봤다.

이 기술 개발에는 한국표준과학연구원(KRISS)을 필두로 한국과학기술정보연구원(KISTI), 성균관대학교(SKKU), 울산과학기술원(UNIST)이 공동 참여했다. 또 서울대와 경희대, 연세대가 위탁 과제를 수행했다.

KRISS 연구자가 20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템을 점검하고 있다.(사진=KRISS)

사업기간은 지난 2022년부터 오는 2026년까지다. 마지막해에 50큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템 구축이 목표다. 총 490억 원이 투입된다.

KISTI에 전용 서버 개설하고 클라우드 환경 구현

시스템은 크게 양자 하드웨어(양자컴퓨팅) 부분과 소프트웨어(클라우드 환경) 부분으로 나뉜다.

KRISS(총괄)는 SKKU·UNIST(큐비트 설계 및 제작)와 협업해 20큐비트 규모의 초전도 기반 양자컴퓨팅을 KRISS 연구실에 구축했다.

이를 외부 사용자가 원격으로 접속해 이용할 수 있도록 KISTI(양자 소프트웨어)에 전용 서버를 개설해 ‘양자컴퓨팅 클라우드 환경’을 구현했다.

외부 사용자는 웹 브라우저를 통해 클라우드 환경에 접속하고 각자의 목적에 맞는 양자 알고리즘을 설계한다. 설계한 알고리즘을 양자컴퓨팅으로 전송하면 양자 프로세서에서 양자 회로가 실행되고 큐비트 간 상호작용을 통해 연산이 이뤄진다.

연산이 완료되면 측정오류를 교정하는 후처리 과정을 거쳐 최종 결과가 사용자에게 제공되는 방식이다.

현재 양자컴퓨팅 클라우드 환경에는 최대 50명이 동시에 접속할 수 있다. 다만 양자컴퓨팅을 이용한 연산은 1회당 1개만 수행할 수 있어, 사용자가 양자 알고리즘을 설계하고 양자컴퓨팅에 전송한 순으로 차례대로 수행된다.

접근성 높여 2026년 50큐비트 서비스로 확대예정

이번 시스템은 전용 설비가 갖춰진 실험실에서, 소수 인원만 사용이 가능하던 양자컴퓨팅의 접근성을 크게 높여 양자컴퓨팅 상용화의 첫걸음이 될 전망이다.

기존 기술적·비용적 한계로 양자컴퓨팅을 이용하지 못했던 기업체와 연구자들이 원격으로 양자 연산을 수행할 수 있어 여러 산업·연구 분야의 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

연구진은 이번에 개발한 클라우드를 올해 하반기 국내 양자 기술 분야 연구진 일부를 대상으로 시범 운영할 예정이다. 향후 2026년까지 양자컴퓨팅 시스템 규모를 50큐비트급으로 확대할 계획이다.

20큐비트급 초전도 양자컴퓨팅 시스템 클라우드 모식도.(그패픽=KRISS)

연구를 총괄한 KRISS 이용호 초전도양자컴퓨팅시스템연구단장은 “양자컴퓨팅 시스템 클라우드는 양자컴퓨팅의 상용화를 위한 필수 인프라 중 하나”라며 “향후 과학기술정보통신부를 중심으로 국내 산·학·연의 역량을 결집해 우리나라가 양자컴퓨팅 분야에서 세계적인 경쟁력을 확보할 수 있도록 총력을 다할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 국가 양자컴퓨팅 핵심 요소기술 개발 및 연구역량 확보를 위해 2022년부터 추진 중인 ‘양자컴퓨팅 연구인프라 구축사업의 지원을 받았다.

오류 다소 있더라도 탐색 가능한 신약 개발에 유리

시스템의 가장 큰 강점은 ‘접근성’이다. 인력·예산의 문제로 양자컴퓨팅을 운용하기 어려운 기업체와 연구기관도 클라우드 환경을 통해 원격으로 양자 알고리즘을 개발하고 테스트할 수 있다.

이 과정에서 사용자들이 얻는 양자 알고리즘 이용 경험과 통찰은 사회 전반에 혁신을 가져올 수 있다.

일례로 화학 분야의 연구자들은 양자 알고리즘을 이용해 분자의 에너지 상태나 화학 반응을 기존보다 빠르게, 정확히 예측할 수 있다. 오류가 다소 있더라도 탐색 가능한는 신약 개발과 신소재 설계 등을 앞당길 수 있다.

또한 기업체들이 양자컴퓨팅의 ‘경로 최적화’ 알고리즘을 클라우드로 연구하고 실무에 적용한다면 물류(배송 경로 최적화, 재고 관리), 금융(포트폴리오 최적화, 위험 분석·자산 평가 시스템 개발) 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 변화를 가져올 수 있을 것이다.

양자컴퓨팅 시스템 클라우드의 또 다른 강점은 ‘자원 효율성 극대화’다. 클라우드는 여러 사용자가 동일한 물리적 자원을 공유하는 대표적인 ‘멀티-테넌시(Multi-tenancy) 모델’로, 모든 사용자가 전용 시설을 갖추지 않고도 양자컴퓨팅을 이용할 수 있어 불필요한 자원의 낭비를 줄이고 시설 투자 대비 효율성을 크게 높일 수 있다.