양자정보기술 - KISTEP 자료

안녕하세요 벨카입니다. KISTEP에서 최근 발간된 자료인 양자정보기술에 대해서 요약하여 포스팅을 하려고 합니다.

 

양자정보기술

기술의 정의 및 범위

양자정보기술은 양자역학적 특성을 이용한 정보 전송 및 연산 수행 기술

○ 정보, 과학, 통신, 기술 등의 조합으로 각국별 다양하게 명칭을 정의하고 있으며, 고전정보처리가 아닌 정보 그 자체에 양자 특성을 도입한 새로운 정보처리 기술

※ 양자(量子, Quantum)는 더 이상 쪼갤 수 없는 물리량의 단위를 의미

 

○ 고전정보처리는 0 또는 1의 논리값을 가지는 비트를 정보의 기본단위로 이용하는 반면 양자정보처리는 0과 1, 양자중첩*을 정보처리에 이용하며, 이를 큐비트(Qubit)로 명칭

＊두 개(또는 그 이상)의 양자 상태가 확률적으로 공존

 

○ 본 고에서는 정보통신기술을 확장하고 큐비트 개념을 포함하는 ‘양자정보기술’로 명

양자정보기술은 크게 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱 분야로 구분

○ (양자컴퓨팅) 양자의 특성(중첩과 얽힘)을 이용하여 초고속 병렬연산이 가능한 새로운 개념의컴퓨터로 알고리즘과 시뮬레이터, 범용양자컴퓨터 등으로 분류됨

※ 보다 상세한 내용은 기 발간된 범용양자컴퓨터(2019-19호)의 기술 정의 및 범위 참고7) 

 

○(양자통신) 양자의 특성을 활용한 물리적 보안 통신 및 양자컴퓨터 등 양자기기간 연결을 위한 네트워크 기술로 양자암호통신, 양자 네트워크 및 전송, 오류정정부호 등으로 분류됨

- 양자컴퓨팅･센서의 고성능화, 보안성 고도화 등이 가능한 양자인터넷을 목표로 발전 중

○ (양자센싱) 전･자기장, 중력, 빛 등의 영향에 따른 양자 상태 변화를 이용하여 초정밀 계측을가능하게 하는 기술로 관성･중력, 전･자기장, 광･이미징, 시간･주파수 센싱 등으로 분류됨

- 센서별 성숙도에 따라 원천기술 확보 및 소형화/저전력화 등 상용화 목표로 발전 중

 

 

양자컴퓨팅에  대한 기술동향

최근 급속한 기술 발전이 이루어지고 있는 분야로 플랫폼별 5~127큐비트 수준의 양자컴퓨팅 시스템이 구축되어 있으며, 알고리즘 및 검증 연구도 활발

 

○물리 큐비트를 구현하는 플랫폼에 따라, 초천도체, 이온 트랩, 반도체 양자점, 위상 큐비트, 고체 결함, 광자 기반 큐비트 구현 기술로 구분 가능하며, 특징 및 국내외 기술수준 간략히 비교

○ (알고리즘 및 검증) 양자컴퓨터의 획기적인 계산속도 향상을 위한 양자적 계산 알고리즘으로서어닐링, NISQ 활용*, 효율적인 에러보정/에러완화 등 의미있는 문제를 풀기 위한 연구 집중

＊수백 큐비트급 Noisy Intermediate-Scale Quantum 장치에서 구현 가능한 알고리즘 개발

 

- 주요국은 구체적인 양자 알고리즘에서 양자 이득을 실현하기 위해 필요한 큐비트 규모, 회로깊이, 양자게이트 에러율 등 계산비용을 추정하는 연구들을 활발히 진행

 

- 유럽에서는 이온트랩 기반 내결함성 범용 양자 게이트(CNOT) 작동을 처음으로 시연

 

- ETRI는 선형잡음문제를 해결할 수 있는 양자알고리즘을 개발하여 세계 최고 수준 양자 알고리즘 성능을 증명하고 양자컴퓨터로 양자내성암호를 풀 수 있는 가능성을 제시

 

- 연세대는 고전데이터를 분류하는 QCNN(quantum convolutional neural network) 알고리즘을 구현하였으며, 근미래의 NISQ 컴퓨터에 적용 가능할 것으로 기대

 

○(시스템 구축) 각국은 다양한 방식의 양자컴퓨팅 시스템을 구축하여 발표하고 있으며, 특히 중국은 2가지 방식의 양자 컴퓨팅 시스템으로 양자 우월성을 증명

- 중국은 보존 샘플링 방법을 활용한 113큐비트 광자 컴퓨터 ‘구장 및 구글과 같은 무작위 양자회로 샘플링 방법을 활용한 66큐비트급 초전도 컴퓨터 ‘조충지 2.1’ 발표

- 이스라엘은 이온트랩 방식의 5큐비트 양자 컴퓨터를 개발하였으며, 개발중인 64큐비트급양자컴퓨터는 구글, 중국에 뒤이어 양자 이점을 입증할 수 있을 것으로 예상

양자통신에 대한 기술동향

실용화에 가장 근접한 기술로 QKD 통신 거리확장을 위한 연구와 기존 유선 광통신망을 활용하기 위한 양자중계기/메모리 연구가 활발

 

○(양자암호통신) 양자 난수 발생, 양자키분배(QKD: Quantum Key Distribution), 양자 비밀공유 등의 유/무선 통신 기술로 상용화에 가장 앞서 있으며, 양자위성을 활용한 거리 확장 연구 및 칩 스케일 소형화 연구가 주로 수행

 

- QKD는 기존 기술의 거리한계*를 극복하는 Twin-field(TF)(1,000km), MDI(500km) 연구와 함께 송신부 및 수신부 전체 광학모듈을 단일 칩으로 만드는 소형화 연구 진행

＊BB84방식은 1984년에 제안한 최초의 QKD 프로토콜로 100km의 기술장벽을 가짐

 

- 중국에서는 830km 유선 광섬유에서도 TF-QKD가 가능한 것을 보였고, 위성과 신뢰노드(trusted node) 연결을 통해 거리를 4,600km 수준으로 확장하여 실증 진행

 

- KIST는 단일 광원을 사용하여 노이즈를 보상하고 별 네트워크 구조의 제안을 통해 세계에서두번째로 다대다 네트워크로 확장 가능한 TF-QKD 검증 성공

 

○ (양자 전송) 양자 얽힘을 기반으로 양자 정보를 한 위치에서 다른 위치로 전송(Teleportation)하는 기술로 정보직접전송 및 시험망에서의 실 구현 등 양자인터넷 구현의 필수 연구 수행

 

- 미국은 유선 양자네트워크를 통해 양자얽힘 큐빗을 전송하였고, 네덜란드는 최초로 직접 연결되지 않은 노드 네트워크 간 순간 이동으로 양자정보 전송 성공

 

- ETRI는 양자원격전송 프로토콜을 제안하고 다자간 암호통신 가능성을 제시하였고, KRISS와 NSR은 국가용 양자암호 시험통신망(20 km)에서 양자직접통신 구현

 

(양자 메모리/중계기) 양자신호의 전송 거리를 증가시키기 위해서 중간 노드에서 양자 얽힘상태를 저장하고 얽힘 교환 기술을 이용하여 양자 신호를 중계 및 저장하는 기술

 

- 유럽에서는 양자얽힘, 양자상태 저장 등 실환경 양자네트워크 구현 가능성을 제시하고, 유선 광통신망 양자중계기에 적용할 수 있는 양자메모리 구현 연구 진행

 

- 중국은 냉각원자 앙상블 기반 양자메모리를 활용하여 원거리(실환경망: 22 km, 실험실내: 50 km)의 양자메모리 양자얽힘 상태 생성에 성공

 

양자컴퓨팅에 대한 산업동향

(IBM, 미국) 초전도 양자컴퓨팅 서비스를 클라우드로 제공(IBM Q)하고, 새로운 모듈식 아키텍처와 네트워킹에 대한 양자 컴퓨터 실용화 로드맵 발표

 

○IBM Q 네트워크를 구축(180여개 유료 회원) 및 대륙별 연구허브를 선정･지원하여 IBM 중심의 양자컴퓨팅 기술 생태계 구축에 집중하고, 수집된 데이터는 연구개발에 활용 중

 

○ ’23년까지 1,121큐비트 양자컴퓨팅 시스템(초전도 방식) 개발 계획을 발표(’20.9)하고, ’25년까지 4,000큐비트 이상급 단일 양자 프로세서 개발 계획을 발표(’22.5)

- ’21년 127큐비트 ‘이글 프로세서’ 를 공개･운용하고 있으며, ’22년 하반기에는 로드맵에따라 433큐비트 ‘오스프리 프로세서’ 발표 예정

※ ’20년 65큐비트(허밍버드) → ’21년 127큐비트(이글) → ’22년 433큐비트(오스프리) 예정

 

- ’23년 서버리스 접근법 도입, 범용 양자프로세서(1,121큐비트, 콘도르) 개발 및 ’25년 모듈식 프로세서로 여러 클러스터를 연결*해 4,000큐비트 이상의 프로세서 개발 목표

＊양자프로세서 확장성을 위해 병렬 연결, 단거리 연결 장치(커플러) 배치 및 양자통신 링크 방식

 

(구글, 미국) 54큐비트 시카모어 초전도 프로세서로 양자우월 증명(’19.10) 이후 성능 고도화 중이며, 상용 양자컴퓨터 개발 목표를 제시(’21.5)

 

○오류보정을 통한 성능 고도화, NASA 공동연구(’17), 양자기계학습툴(Tensorflow Quantum) 개발(’20) 등을 추진 중이며 ’21년 Quantum AI Campus 개소(’21.5)

 

- ’29년까지 100만 큐비트(1,000 논리 큐비트)를 가지는 범용 양자컴퓨터 구축 목표

 

- 오류정정 코드를 구성하는 물리 큐비트 숫자가 증가함에 따라 오류가 지수함수적으로 감소하는 것을 54큐비트 시카모어 프로세서를 활용하여 확인(’21.8)46)

 

○상업용 양자컴퓨팅 도구 등을 개발하는 SW 스타트업 샌드박스(Sandbox AQ)를 구글로부터분사하고, 구글의 전 최고경영자(CEO) 에릭 슈미트를 이사장으로 초빙(’22.3)

 

(인텔, 미국) QuTech(和)과 공동으로 반도체 양자점 방식을 지속 연구하여 양산가능성을 확인하고, SW를 포함한 Full-stack* 접근 방식을 연구

＊칩, 시스템, 소프트웨어, 클라우드 서비스 등 모든 솔루션을 포함

※ 초전도 방식 ‘Tangle Lake’ 49큐비트 칩을 구축했지만 현재는 스핀 큐비트(양자점)에 집중

 

○ 인텔의 공정기술로 칩을 제조하면 QuTech에서 칩의 성능분석을 수행하는 형태의 협업

 

- 반도체양자점 방식은 단위 면적당 큐비트 수에 이점을 가지며, 수년간 최적화된 인텔의 반도체 공정장비를 그대로 사용하여 300nm 웨이퍼 양산 가능성을 확인(’22.4)

 

- 자체 SDK(소프트웨어 개발 키트) 개발 등 Full-stack을 연구하고 있으며, 미국 아르곤 국립 연구소(ANL)에 양자컴퓨팅 테스트 베드를 ’22년 말까지 제공 발표

 

○양자컴퓨터용 미래 암호 기술 개발을 위한 ‘크립토 프론티어 연구센터(Intel Crypto Frontiers Research Center)’ 설립을 발표(’21.8)

 

(리게티, 미국) Full-stack 양자컴퓨팅 업체를 지향하며 ’26년까지의 4,000 큐비트 로드맵을 발표하였으나, 최근 개발 일정을 수정·발표(’22.5)

 

○ ’20년 31큐비트 초전도 프로세서 Aspen-8을 발표한 후 ’21년 12월 40큐비트 프로세서 두 대를 함께 모으는 새로운 모듈식 디자인을 기반으로 80큐비트 시스템을 발표

 

- 이후 발표한 일정에서는 1~2년 연기한 ’25년 말에 약 1,000큐비트의 시스템이 준비되고, ’27년 또는 그 이후에 4,000큐비트의 시스템을 보유할 것으로 예상

 

(IonQ, 미국) 메릴랜드 대학의 크리스 먼로와 듀크 대학의 김정상 교수가 공동창업(’15)한 이온트랩 양자컴퓨팅 회사로 양자 이점 로드맵 발표(’20.12)

※ MS와 Google, Amazon을 통해 11큐비트 양자컴퓨팅 클라우드 서비스 제공 중

 

○’20년 새로운 벤치마크 도입과 이를 활용한 ’28년까지의 양자 이점 로드맵을 발표

 

- 실제 환경에서의 유용성 평가를 위해 알고리즘 큐비트(Algorithm Qubit, AQ) 제안

- 기 출시한 99.9% 충실도의 32큐비트 시스템은 22개의 알고리즘 큐비트가 포함

- 로드맵 공개와 함께 AQ 40큐비트에 도달하자마자 기계 학습에서 양자 이점을 볼 수 있고72큐비트에서 양자 이점을 상당히 광범위하게 수행하기 시작할 것으로 예측

※ ’21년 22큐비트 → ’23년 29큐비트 → ’25년 64큐비트→’26년 256큐비트→ ’28년 1,024큐비트

 

○’22년 자사 최신 양자 컴퓨터 Aria는 20개 알고리즘 큐비트 달성을 발표

- 벤치마킹 결과 정확도가 높으며 550개 이상의 게이트 포함 양자 회로를 성공적 실행

- ’23년 네트워크로 연결되는 일반 데스크톱 사이즈의 모듈식 양자 컴퓨터 도입 목표

(국내) 일부 대기업이 외국과 협력 연구 중이며, 국내 1호 스타트업 설립 

삼성종합기술원 내에서 IBM과 협력 연구를 유일하게 수행중이며, KAIST에서 ’21년 국내 최초로 양자컴퓨팅 SW와 AI를 기반으로 솔루션을 제공하는 스타트업 큐노바 설립

 

양자통신에 대한 산업동향

(국외) 각 국별 통신사의 QKD 네트워크 및 테스트베드 구축을 위한 R&D 투자와함께 암호통신 서비스를 통한 글로벌 시장 주도권 확보 경쟁 중

 

○ (Quantum Xchange, 미국) ’18년 10월 워싱턴-뉴욕시-뉴저지간 19개소 약 1,000km에대해 양자암호를 이용한 암호통신 서비스 중

 

○(화웨이, 중국) ’16년 독일 뮌헨에 양자연구소를 설립하고, ’18년 상용 광통신망에 양자암호를적용하는 필드 시험을 수행

 

○ (QuantumCTek, 중국) 중국 과학기술대학에서 ’09년 창립하였으며, 양자암호통신 장비 및 양자 신호 생성 및 검출 관련 상용 제품을 개발하여 자국에 판매

 

○ (NICT, 일본) 국가정보통신기술연구소(NICT)에서는 NEC, 미쯔비시 및 NTT 등이 참여하여국가시험망(JGN)을 기반으로 실용 수준의 QKD 기술과 네트워크 응용을 개발 중

- ’10년 Tokyo QKD Network 구축 및 국가시험망을 활용하여 양자키 생성 및 안정성 검증과 키 관리 계층 적용

- ’17년 마이크로 위성 ‘소크라테스’를 활용한 우주-지상 간 양자암호키 분배 실험에 성공

- NEC, 도시바 등 양자 연구 선두주자는 고성능 QKD 시스템 및 양자 소자 연구 진행

 

○ (EU) 4개 국가(베를린(독일), 마드리드(스페인), 제네바(스위스), 비엔나(오스트리아))를 중심으로 양자통신 인프라 시험망을 구성 및 QKD 시범망 추진

- 이탈리아는 토리노~피렌체(650km)구간 QKD 테스트베드 구축

 

○ (British Telecom, 영국) UK Quantum Network 프로젝트로 125km 상용등급 양자 네트워크 테스트베드 구축(’19)

 

○(IDQuantique, 스위스) QKD 시스템, 단일 광자 카운터 및 난수생성기 등을 제품화한 양자암호통신장비 세계 1위 기업으로 SKT에 인수(’18)

 

(국내) SKB는 세계 최초로 800km 국가 기간통신망 양자암호기술 적용에 성공했으며, KT는 1km 구간 무선 양자암호 전송기술 확보

 

○ (SKT) IDQ의 최대주주 지분을 취득하면서 본격적으로 제품개발 및 상용화 추진 중

- ’16년 세계 최초로 상용 LET망 유선구간(세종~대전 구간)에 양자암호통신 기술을 적용하여운영하고, ’20년 5G 전송망에 QKD로 보안을 강화(서울-대전-대구 380km)

- ’17년 양자난수생성 침 시제품 개발 성공 이후 ’18년 3월 스위스 IDQuantique 인수

- ’20년 세계 최초 양자난수생성(Quantum Random Number Generator) 칩 상용화

※ 기존 QRNG 칩 사이즈: 2.5mm x 2.5mm x 0.8mm - ’22년 5월 국내 암호분야 기업들(비트리･KCS･옥타코 등)과 함께 양자난수생성 기술로 보안을 강화한 제품을 개발, 국방･공공 시장 및 글로벌 시장에 진출 발표

- ’22년 6월 SKB는 30여개의 양자중계기로 연결된 800km 전국망 양자암호망 구성

 

○ (KT) KIST와 공동으로 양자통신 응용연구센터를 설립하고 양자암호통신 실용화 연구 수행

- ’17년 (서울~수원 구간 46㎞) 일대일 구조 양자암호통신 시험망을 구축･운영 및 ’18년 세계 최초로 10km 1대 4 다자간 양자통신 10km 구간 시험망 구축 성공

- ’18년 자체 기술로 연구용 QKD 시스템을 개발하여 ’20년 민간(코위버, 우리넷)에 기술이전을 진행하고, 공공부문 양자통신 실증연구 및 양자암호통신 표준화 선도 중

- ’22년 5월 최초로 국내 최장 거리인 1㎞ 구간에서 무선 양자암호 전송에 성공

 

○(LG 유플러스) IoT 단말용 양자보안칩 개발 및 양자내성암호(PQC) 기술력 확보(’21.8)

- ’22년 4월 PQC가 적용된 광전송장비를 통해 해킹이 불가능한 전용회선 최초 출시

 

○(이와이엘) ’21년 3월 KT와 공동으로 양자암호 활용 일반 스마트폰 간 통화 도청방지 기술 개발 및 10월 세계 최초로 양자난수를 활용한 도청방지 솔루션을 상용화

 

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이상으로 양자정보기술 KISTEP 자료 포스팅을 마치도록 하겠습니다.