양자컴퓨팅

I. 컴퓨팅 패러다임 혁신, 양자컴퓨팅 등장배경

[기존 컴퓨팅의 한계]
– 폰노이만 컴퓨팅 성능 한계
– 추론, 판단 연산 어려움
– 트랜지스터 집적률 한계
– 암호화 기법 안전성 한계
[양자컴퓨팅 등장배경]
– Qubit 기반 성능한계 극복
– 인공지능 연산 최적화
– 칩 소형화 한계 극복
– PQC Suit B 알고리즘 필요
  • 폰노이만 시스템 한계 극복 및 양자 병렬성기반 인공지능 추론 등 활용되며, 국제 경쟁력 확보, 표준화 참여 필요

 

II. 고전컴퓨팅과 양자컴퓨팅의 비교

항목고전컴퓨팅양자컴퓨팅
구현 원리– 전기적 신호
– 0 ~ 5V 전위 차
– 양자 스핀트로닉스
– 중첩, 얽힘, 불확정성
구성 소자– 실리콘 반도체
– 합금 트랜지스터
– 초전도 큐비트
– 스핀 큐비트, 이온트랩
튜링머신– 결정론적 튜링기계
– 1입력 1출력
– 비결정론적 튜링기계
– 동시 다중 상태 출력
연산 단위– bit (비트) 단위
– 1bit 당 0, 1 처리
– Qubit (큐비트) 단위
– 00, 01, 10, 11동시처리
n 비트
정보량
– 0 ~ 2n – 1 중
  1개 값 만 기억
– 2n 모든 값 기억
– 기억 중첩
ALU
연산 동작
– n bit ALU 2n회 연산
– 3bit 시 8회 연산
– n qubit, 1회 2n 연산
– 3 qubit 정보처리 1회
연산
패러다임
– 선형적 연산
– 정확한 연산 수행
– 병렬 기반 동시연산
– 확률적 연산 수행
연산 방식– 논리 표 기반
  목표 값 계산
– 행렬 함수 기반
  다중 값 계산
잡음 대응– Noise 대응 가능
– 간편한 오류 정정
– 작은 Noise에도 취약
– 오류 정정 어려움
연산
최적화
– 일반 단/다항식
– Polynomial 최적화
– 이산대수, 소인수분해
– NP 연산에 최적화
해 탐색– 정확성 기반
  엄밀 해 도출
– 연산 반복기반
  근사 해 제시
시스템
구조
– 폰노이만 구조
– 하바드 구조
– 양자 어닐링 구조
– 양자 게이트 구조
  • 고전컴퓨팅과 양자컴퓨팅은 상호보완적 관계이며, 양자컴퓨팅은 추론, 동시 확률적 연산에 특화

 

III. 양자컴퓨팅 특성에 따른 활용분야

구분활용분야설명
확률연산
기반
AI 학습
비지도학습
큐비트연산
– 머신러닝 워크플로우 연산
– 추론, 군집, 분류 최적화
RCNN 다중
Region Proposal
– Bounding Box 경계값 도출
– Region Classify 속도 향상
양자 얽힘
통신 및
암호화
자유공간
프로토콜
– 장거리 양자 전송 분야
– 광 정렬, 잡음 저감
QKD 기반
비밀키 공유
– 양자 암호, QRNG, BB84
– 광 분리/간섭, 비밀키 공유
의료
데이터
다중분석
양자게이트
신약임상실험
– 개인 별 최적 복용량 산출
– 양자 기반 임상실험 병행
단백질 3차원
구조 최적화
– 개인 맞춤형 의료 고속화
– 의족, 의수, 인공장기 설계
스마트시티
데이터
큐비트연산
큐비트기반
C-ITS
– 다중 교통 분석, 최적화
– 상황 별 트래픽 제어
재해/재난
분석/예측
– 홍수/가뭄, 미세먼지 예측
– IoT 센싱 데이터 큐빗분석
금융 정보
다중동시
분석
NP연산기반
리스크 관리
– 채권회수 리스크 병렬분석
– 보험 사고율, 영향도 분석
포트폴리오
최적해 산출
– 양자 어닐링 트레이드전략
– 투자 수익률 최고점 예측
  • 양자컴퓨팅 기술은 현재 미국의 RSA 암호체계 무력화, 일본의 양자 인공두뇌 등 경쟁적 개발 진행 중

 

IV. 양자컴퓨팅 국제 경쟁력 확보를 위한 제언

양자 기술 SDK 제공PQC Suit B 표준화 참여
– 양자 Cloud S/W SDK 필요
– 양자 기술 접근성 확보
– 특수목적 SW개발로 차별화
– 양자컴퓨팅 표준화 미비
– ISO/IEC, IETF 표준화 참여
– SEED, ARIA 양자기술 적용
  • 국내 통신사의 양자 암호통신 1위 기업(IDQ) 인수 사례와 같이 기술력이 우수한 스타트업의 과감한 인수도 필요

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