양자역학（quantum mechanics）은 원자, 광자, 전자와 같은 입자의 행위를 설명하는 물리학의 한 분야다. 양자역학의 고유한 특성을 활용함으로써 양자 기술은 약물과 재료 발견, 금융 투자 포트폴리오 관리, 기후와 날씨 모델링, 제조 최적화, 행동 분석 분야에서 크게 유용할 것으로 예상된다.
과학기술거두, 정부와 초기 단계의 스타트업은 양자 혁신을 달성하기 위해 수십억 달러를 투자하고 있으며 전문가들은 양자 발전의 다양한 개념에 대해 논쟁하고 있다. 동시에, 현재의 암호화 기술에 대한 양자 기술의 위협은 "다모클레스의 검"과 같이 머리 위에 걸려 있다.
양자 기술이 대기업 진출을 준비할 때 비즈니스 리더는 어떻게 올바르게 "시장에 진입"해야할까? Deloitte가 발표한 보고서는 비즈니스 리더를 위해 양자 기술의 신묘한 면을 해석하고 복잡한 컴퓨팅 문제, 통신, 감지라는 세 가지 핵심 양자 사용 사례를 명확히 했다. 양자 컴퓨팅에 특별히 중점을 두고 이러한 영역에서 유망한 애플리케이션을 살펴보자.
표 1) 출처: 딜로이트(Deloitte)
양자 컴퓨팅: 복잡한 컴퓨팅 작업량 가속화
양자 컴퓨팅은 때로 컴퓨팅의 차세대 위대한 발전으로 묘사된다. 이전에 애먹던 어려운 문제, 즉 이론적으로는 해결할 수 있지만 복잡성이 오늘날 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터의 기능을 훨씬 능가하는 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 지닌 것으로 치켜세워진다. 양자 기계는 이러한 고급 컴퓨팅 문제를 몇 시간 심지어 몇 분 안에 해결할 수 있으며 효율성은 분명히 놀랍다.
양자 컴퓨터는 양자 현상을 이용하여 정보처리와 계산을 진행한다. 큐비트를 사용하는데——기존 컴퓨팅 비트와 비슷하지만 용도가 더 광범위하다. 양자 시스템 핵심에 있는 큐비트와 일반 컴퓨터의 기존 컴퓨팅 비트 사이에는 주요 차이점이 있다. 전통적 컴퓨터 비트는 컴퓨팅 성능을 선형적으로 증가시키는 반면, 각 큐비트는 양자 시스템 컴퓨팅 성능을 두 배로 늘린다.
안타깝게도 기본적인 물리 원리로 인해 큐비트 세트를 함께 작동시키는 것은 매우 어렵다. 우리 모두 알고 있듯이 큐비트는 불안정하며 제어된 양자 상태에서 격리되어야 한다. 일부 양자 기계는 큐비트를 영하 수백도 (우주 공간보다 더 낮은 온도)로 냉각하여 작동하는 반면, 다른 양자 기계는 슈퍼 진공실에 큐비트를 가두어 둔다. 이것은 또한 오늘날의 양자 기계가 맞춤화되고 주로 실험실 환경에 존재한다는 것을 의미한다.
또한 큐비트 단위를 복제하거나 읽는 것은 취약한 양자 상태를 파괴하고 프로그래밍, 테스트, 디버깅과정을 복잡하게 만든다. 또한 온도, 진동과 같은 외부 장애에 매우 민감하여 이러한 간섭은 소음을 유발하고 계산 오류를 유발할 수 있다. 이러한 기술적 요구 사항으로 인해 복잡하고 내결함성이 있는 기업수준 양자 시스템의 가용성은 시간이 어느정도 걸린다. 왜냐하면 그것은 전세계 실험실에 의존하며, 개발 일정을 예측할 수 없기 때문이다.
양자 능력은 기하 급수적으로 증가하고 있다. 10 년 이내에 양자 컴퓨터는 많은 산업에서 일련의 문제를 해결하는 데 가속화될 것으로 예상된다. 지금까지 Google과 중국 연구원 그룹 모두 양자 컴퓨터가 가장 빠른 슈퍼 컴퓨터를 넘어서는 계산 작업을 해결할 수 있다는 양자 우월성 (양자패권이라고도 함)을 성공적으로 시연했다. 두 조직 모두 그들의 양자 컴퓨터가 5 분 이내에 정교하게 구축된 작업을 완료한 반면, 고전적인 슈퍼 컴퓨터는 양자 컴퓨터가 문제를 쉽게 해결할 수 있는 최종 작업을 완료하는 데 수천 심지어 수십억 년이 걸려야 겨우 완성할 수 있다고 말했다. 양자컴퓨터가 복잡한 현실 세계 문제를 가뿐하게 해결할 때, 전복성의 위험과 보상 사이의 전통적인 장기 관계에 놓일 수 있다. 이것은 기업과 정부 리더가 양자로 문제를 해결할 때 조직과 사회에 미치는 영향을 새롭게 사고할 것을 요구할 수 있다.
사진 1) 출처: 치엔쟌왕(前瞻网)
앞으로 어떤 일이 일어날까? 고도로 전문화된 컴퓨팅 특수 도구로서 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 대체할 수 없다. 더 가능한 것은 양자 컴퓨터는 고전적인 상대와 공존할 가능성이 높다. 고급 컴퓨팅이 필요할 때 양자 기술을 사용할 수 있는 방법을 제공하면서… 유사한 비교를 위해 현재 그래픽처리장치 (GPU)와 중앙처리장치 (CPU)의 공존에 대해 생각하면 분명해진다. CPU는 대부분의 작업을 수행하고 GPU는 복잡한 그래픽, 비디오 렌더링과 더 많은 기계 학습을 지원한다.
마찬가지로 양자는 클라우드를 대체하는 것이 아니라 보완할 가능성이 높다. 양자 컴퓨팅이 기존 컴퓨팅과 공존하는 것처럼 클라우드 기능과도 공존한다. 더 중요한 것은 많은 조직이 클라우드를 통해 양자를 사용할 것이라는 점이며—— 국제데이터기업IDC 설문 조사에서, 참가자의 65 %가 클라우드 기반 양자 컴퓨팅을 사용 중이거나 사용할 계획이라고 답했다. 이것은 그들이 기업내에서 전문적인 양자컴퓨터에 투자할 필요없이, 특수작업 부담이 있는 아주 전문적인 능력을 획득하게 한다.
이와 동시에 속도에 대한 매력적인 전망은 계속해서 투자를 유도하고 있다. 양자 창업 생태계가 활발히 발전하고 있다. 연구 기관 예측에서 지난 3 년의 양자 컴퓨팅 시장 연간 복합 성장률이 56.0%에 달하고, 최종적으로 2023 년에 거의 650 억 달러에 이를 것이라고 했다. 또 다른 예측으로는 양자 컴퓨팅이 3 년 이내에 Fortune 500 대 기업의 25%에 경쟁 우위를 제공할 것이라고 했다. 비록 수많은 산업의 각종 실험이 양자컴퓨팅의 세력을 추진하고 있음에도 불구하고 기술 성숙도를 고려할 때 이는 대담한 단언이다.
사실 양자 컴퓨팅은 거의 모든 산업에서 관련 응용 사례를 가지고 있다. 이것에 익숙하면 당신의 조직이 양자컴퓨팅 기술에 큰 투자를 하기 전에 어떻게 양자 컴퓨팅을 준비할지 이해하는 데 도움이 될 수 있다.
알고리즘 최적화. 최적화 알고리즘은 여러 실행 가능한 솔루션 중에서 최상의 솔루션 또는 프로세스를 결정하는데 도움이 된다. 따라서 양자컴퓨터는 여러 잠재적 결과를 평가하기 위해 최적화에 의존하는 산업에 상당한 영향을 미칠 것으로 예상되며, 각 산업에는 많은 종속성과 제약이 있다.
예를 들어, 양자 컴퓨터는 네트워크로 연결된 차량, 컨테이너와 소포, 도로와 철도, 창고, 판매지점 시스템과 기상 위성 등 실시간 데이터를 사용하여 실시간으로 경로 문제를 해결할 수 있다. ExxonMobil 은 양자 컴퓨터를 사용하여 글로벌 해운 함대의 경로를 최적화하는 방법을 연구하고 있는데, 이 함대는 5만여척 상선을 보유했고, 매 상선마다 각각 20만 개의 컨테이너를 적재해 운반한다.
어떻게 상선운행의 이동 경로와 시간을 최소화할 것인가——운행 노선, 기후, 항구간의 가능한 이동과 같은 변수 계산——고전 컴퓨터에게는 까다로운 문제다. 유사한 원리를 사용하는 양자 컴퓨팅은 다각적인 공급망을 중단하지 않는 상황하에서 제조 부품의 가용성과 가격을 결정하는 것과 같은 공급망 최적화 문제를 해결함으로써, 기업이 운영 및 제조 프로세스를 단순화하는 데 도움을 줄 수 있다.
데이터 과학과 수학적 모델링. 현대 기업은 대량의 데이터를 처리하여 식별•이해하며, 문제를 예측하고 해결한다. 데이터 세트가 점점 더 커지고 복잡해짐에 따라, 기업이 실시간 데이터를 점점 더 많이 사용하며 수학적 모델링은 기존 컴퓨터에서는 점점 더 어려워질 수 있다. 결국 기존 컴퓨터와 달리 양자 기계는 복잡한 병렬 계산을 거의 동시에 효율적으로 수행할 수 있다.
양자 컴퓨팅은 기존 기계에서 효과적으로 실행하기에는 너무 복잡하고 많은 양의 데이터와 계산을 사용하는 산업을 변화시킬 잠재력이 있다. 예를 들어, 금융 서비스 분야에서 은행과 증권 회사는 신용 평가, 자산 평가, 규범위반 행위 분석과 사기 탐지, 거래 전략과 투자 리스크 분석에 양자 컴퓨팅의 적용을 탐색하고 있다.
양자 화학과 재료 과학. 고전적인 컴퓨터는 분자 특성을 정확하게 계산하여 미세 조정하거나, 재료 행위를 예측하거나, 이러한 종류의 행위가 미세한 분자로 어떻게 변화하는지 이해하는 데 필요한 계산을 효과적으로 수행할 수 없다. 분자의 동작을 이해하기 위해 대부분의 과학자들은 시간이 많이 걸리는 반복 실험을 수행해야한다. 미래에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 분자 시뮬레이션을 더 효과적으로 수행할 것으로 예상되며, 이를 통해 재료의 성능을 예측하고, 시뮬레이션, 재료 최적화를 하고, 기타 발전과정의 산업에 관건이 되는 도구가 될 것이다. 이러한 의미에서 양자 컴퓨터는 설계 엔지니어가 더 나은 플라스틱, 연료 전지, 칩, 기타 제품과 재료를 개발하고, 고생스러운 실험실 작업을 제거하는 데 도움을 줄 수 있다.
동시에 양자 컴퓨터는 복잡한 분자 상호 작용 시뮬레이션 방면에서 기존 컴퓨터보다 더 능력있고 효율적일 수 있으며, 이러한 분자 상호 작용은 신약 개발을 위한 기초 약품이 출시되기까지 기본 10년 심지어 더 긴 시간을 필요로 했다. 왜냐하면 제약 회사는 수십억 종 약물이 다양한 인체 시스템에서 발생할 수 있는 반응과 부작용을 평가해야하기 때문이다. 이러한 반응과 부작용은 사람마다 다르다. 양자 컴퓨팅을 통해 초기 신약 발견을 개선하면 비용을 절감하고 생명을 구하는 약을 시장에 출시하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있다.
양자 컴퓨팅이 가져오는 안전성: 포스트양자 암호(Postquantum cryptography)
현재 암호화 규약, 예를 들어 SSL (Secure Socket Layer)와 TLS (Transport Layer Security)는 기존 공개키 알고리즘을 기반으로 하며 기존 컴퓨터의 공격으로부터 네트워크 통신을 보호할 수 있다.
그러나 내결함성 양자컴퓨터는 이러한 프로토콜과 다른 프로토콜이 함유한 수학적 문제를 몇 시간 심지어 몇 초 만에 해결할 수 있다. 포스트양자 암호학(Post-quantum cryptography)은 일종의 소프트웨어 기반 알고리즘 기술로, 양자 증명, 양자 보안 또는 양자 안티 암호학이라고 불린다. 양자컴퓨팅 시스템의 성숙도와 광범위한 적용으로 인해 포스트양자 암호화의 중요성은 점점 더 커질 수 있다. 기존 컴퓨터에서 실행해야 하는 포스트양자 암호시스템은 더 복잡한 기술에 의존할 것이다.
양자 통신: 통신 네트워크 보호
포스트양자 암호학과 달리 양자 통신은 기존 컴퓨터에서 운행되는 새로운 양자 보안 암호화 알고리즘을 사용한다. 양자 통신은 일종의 하드웨어 기반 솔루션으로 양자역학 원리를 사용하고, 이론상 속임수 조작을 방지할 수 있는 통신 네트워크이며, 검측, 절취, 도청이 가능하다.
비록 양자 통신을 실현하는 많은 기술이 있지만 양자 키 분배 (QKD)는 가장 성숙한 기술 중 하나다. 양자 키 배포 기술에서 각방은 양자 기반 기술을 사용하여 암호화 키를 교환한 다음 이러한 키를 사용하여 기존 광네트워크에서 데이터를 전송한다. 키 교환은 탐측이 없는 상황하에서 변경, 클론, 복제, 가로채기를 할 수 없기 때문에 QKD는 매우 높은 네트워크 보안을 제공할 수 있다.
미국의 일부 조직은 워싱턴DC, 뉴욕시, 보스턴을 연결하는 600 마일 이상의 광섬유를 사용하여 양자 키 배포를 이미 구현했다. 이 솔루션은 월스트리트 금융 시장을 뉴저지의 백엔드 비즈니스와 연결한다. 양자 키 배포와 기타 물리적 기반 암호화 방법을 지원할 뿐만 아니라 수학적 기반 기술 (예: 포스트양자 암호화)도 지원한다.
중국 연구원들은 최근 완성된 이 2종류 전송 기술을 결합한 2990 마일 네트워크를 포함하여 지면 광섬유와 공중위성 링크를 사용하여 여러 양자키 배포 프로젝트를 전개했다. 이러한 네트워크는 150 개 사 이상의 산업 사용자에게 서비스를 제공한다. 중국의 일부 조직은 신호를 전송하기 위해 드론에 의존하는 단거리 양자 통신 네트워크를 실험했다.
현재 기술적 한계로 인해 양자키 배포가 즉시 널리 채택되는 것은 불가능하다. 속도가 느리고 값비싼 송신기와 수신기가 필요하다. 또한 약 60 마일 전파 후 메시지 성능이 저하될 수 있으므로 QKD는 신호 중계기, 중계기, 라우터를 사용해야 하지만 이러한 장비는 공격에 취약할 수 있다. 양자 통신 기술 (QKD 포함)의 지속적인 개선으로 우리는 이것이 통신 안전을 보장하는 중요한 핵심 구성 요소가 될 것으로 예상한다.
준비하라: 전략 수립이 관건
수십년 동안 과학자들은 줄공 양자 기술에 대해 사고해 왔으며 양자 역학은 장애물로 가득차 있다. 그러나 양자 기술은 현재 추진력을 얻고 있으며 10 년 이내에 연구 실험실을 벗어나 보다 현실적인 비즈니스 환경으로 이동할 것으로 예상된다.
관망하는 태도는 조직이 기술을 테스트하고 실험할 수 있는 주요 기회를 놓치게 하는 반면, 경쟁상대는 우세를 획득하게 한다.
Deloitte는 보다 전략적인 접근 방식을 권장한다.
업계의 영향을 이해하라. 업계에서 양자 기술의 잠재적인 영향을 이해하라. 양자가 어떤 복잡한 문제를 해결하는데 도움을 줄 수 있나? 중요한 기술 개발에 주의를 기울이고 해당 분야의 다른 사람들이 양자기술에 어떻게 투자하고 실험하는지 주의를 기울이라.
전략을 개발하라. 적절한 기술과 지식을 갖춘 기존 인재를 모으고, 양자 전략을 제정하라. 비록 전략이 즉각적인 행동을 취하지 않더라도 경쟁 또는 기술 개발과 같은 트리거 사건을 확정하는 것은 더 나은 양자 투자와 탐색을 일러주는 역할을 할 것이다. 언제 누가 이끌 것인지 결정하라.
기술과 산업 개발을 모니터링하라. 사건에 따라 전략을 개선하고, 당신이 인정한 트리거 사건이 적절한 조치를 취하지 않고 사라지지 않도록 하라.
당신의 암호화 민첩성을 높이라. 양자 컴퓨팅의 보안 영향을 해결하고 조직의 암호화 민첩성 개선을 발전시키기 위한 계획을 제안하라.
치엔쟌왕(前瞻网) 제공
