양자컴퓨팅시스템 개발 및 활용 동향 - ETRI

1. 정보표현의 극소화 및 양자정보의 출현

가.   고전정보소자의 극소화 진행

-    단위 면적당 집적(저장)할 수 있는 정보처리량은 18개월마다 약 2배 증가

나.   정보소자 극소화의 근본적인 한계 및 양자정보로의 전환

한계	해결
-    정보소자 크기 감소시 양자적현상 -    10나노미터 크기부터 발전속도 감소	-    고전정보(bit)-> 양자정보(quantum bit or qubit)로 변환 -    극소화된 정보소자의 양자적 현상을 역으로 이용

-    소자크기의 극소화하는 과정에서의 문제점(양자적현상)을 회피하면서 성능향상효과 달성

다.   ICT측면에서의 양자정보 해석

양자특징	ICT해석방식	설명
양자중첩	-    압축효과	-    0과 1일 모든 중첩상태를 양자정보로 표현하여 마치 압축효과처럼 대역폭이나 연산복잡도를 낮춤
양자간섭현상	-    병렬계산	-    간섭현상은 기저가 동일한 경우 기저별로 존재하는 복소수 위상값들이 합산되는 과정에서 발생
양자얽힘상내	-    원거리 상관성	-    얽힘현상은 시공간적으로 떨어져 있는 2개 이상의 양자정보가 서로 간에 강한 상관성을 갖는 것을 의미 -    주로 통신과정에서 전송이나 계산과정에서 입력과 함수값사이에서의 상관성을 유지하는 과정에서 활용
관측붕괴현상	-    일회성 읽기과정	-    양자세계에 존재하는 특성이 고전적 상태로 변환되는 것 -    정보자체의 유일성보장 -    정보보안이나 정보의 유일성 보장

2. 양자컴퓨팅모델의 출현

구분	설명
양자시뮬레이션	-    파이만에 의해서 양자역학적 다체계시스템을 고전컴퓨터로 시뮬레이션하는 과정의 어려움에 대한 연구시작 -    양자역학 시뮬레이션 시스템 언급
양자컴퓨팅 모델	- David Deutsch이 가장 효과적인 튜링 머신을 정의 -    양자튜링머신은 개념적으로는 의미하지만 실용적인 측면에서 제한점 발견 -    문제점 해결하기 위해 양자회로 모델제안 -    양자회로 모델은 몇가지의 양자만능게이트를 이용하여 양자정보 처리
다양한 양자컴퓨팅 모델	-    관측기반형모델 : 만능게이트 구현을 연속적인 관측으로만 구성하여 선행 관측결과의 결과에 따라 후행 관측기저의 동적인 변화 유도, 구현이 용이 -    위상학적 모델: 위상학적 정보를 큐비트로 정의하여 기학적인 조작으로 연산 -    양자절연형 모델 : 사용자의 알고리즘을 물리계의 가장 낮은 에너지로 변환하여 적용

3. 고전컴퓨팅 VS 양자컴퓨팅

구분	고전컴퓨팅	양자컴퓨팅
통신적측면	-    통신시 정보자체를 전달하는 방법이 유일	-    얽힘등을 공유할 때 양자정보를 손쉽게 전송
계산능력측면	- 하나의 값에 대한 연상능력은 양자컴퓨팅과 속도차이 없음	- 능력향상을 위해서는 병렬계산이 많이 요구
보안능력측면	-    복제가능	-    관측붕괴성, 복제불가능성, 표현방식에서 다양하게 활용

4. 양자컴퓨팅의 활용분야

유형	분야	설명
함수전역적 특성파악	-    양자시뮬레이션 -    양자대수분석	-    모든 입력값의 조합과 함수값을 중첩상태로 처리하여 효율적
데이터 전역적 특성 파악	- 빅데이터 분석	- 함수의 계산은 단순하지만 입력값이 인위적인 경우
큰 입력크기	-    기계학습 -    암호해독 -    시뮬레이션	-    일정이상의 입력크기가 큰 분야

아래와 같이 입력크기가 클 수록 속도차이가 많이 납니다.

5. 양자컴퓨팅 시스템 구조

가.   양자컴퓨팅 실현을 위한 기본적 조건들

조건	설명
큐비트 정의, 구현	-    전자의 회전방향, 전류의 흐름방향, 광자의 파동방향, 입자의 에너지 상태등을 큐비트로 정의
큐비트의 초기화	- 컴퓨팅과정에 초기상태를 확정해야하므로 큐비트초기화 필요
만능데이터 구현	-    H, T, CNOT게이트등
큐비트관측	-    계산 중간, 최종연산결과를 추출하는 과정에서 큐비트들을 관측

나. 양자컴퓨팅의 안정성 확보를 위한 방법론

- 안정성 확보를 위한 방법론 기능

기능	설명
오류보정	-    물리적시스템은 제어과정에서 오류값이 존재하지만 양자알고리즘은 높은 신뢰도를 요구하기 때문에 오류보정기능 필요
결함허용방식	- 구현하는 과정에서 추가되는 오류가 있어도 원하는 오류보정이 가능하도록 설계 - 성능요구값중 하나로 임계오류값 - 결함허용만능 연산모델 : 오류보정코드(surface code) 사용
만능 컴퓨팅 구현방식	-    허용오류값을 만족시키기 위해 오류보정과정에서 반복적으로 적용

- 알고리즘, 오류보정-결함허용, 소자오류율 관계

다. 양자컴퓨팅 시스템 구조

- 양자 ICT 양자컴퓨팅 구성도

- 양자 컴퓨팅 계층 설명

구성요소	설명
물리적 계층	-    양자정보소자를 구현하고 제어 -    큐비트의 구현, 제어, 관측작업
Computation Model Primitives	- 물리적 계층을 논리적 계층으로 변경
Fault-Tolerance Primitives	-    오류보정- 결험허용방식
System Hardware Primitives	-    논리적빌딩블럭을 이용하여 논리적 양자컴퓨터를 조직화하는 단계
System Software Primitives	-    사용자를위한 프로그래밍 환경 제공

라.  양자컴퓨팅 연구개발의 현재 수준

상황	설명
하드웨어	-    큐비트의 수를 늘리는 연구 -    큐비트의 조작과정에서 오류율을 낮추는 연구
소프트웨어부분	- 물리적수준에서 양자정보소자의 제어 및 평가, 오류보정-결함허용과정에서 비용효율성 - 고성능의 안정성 확보 - 알고리즘의 성능향상
종합적 상황	-    큐비트구현 : 고정형, 이동형 -    안정성측면에서 결험허용방식이 있는 2세대형주로 -    활용분야 : 시뮬레이션분야 -    전체상황: 원천연구개발 단계

출처 : ETRI  2016년 4월 - 정보통신동향분석 제 31권 제2회