정보통신기획평가원, 카이스트 등 학계, 민간SW연구소 등 12인 전문가 촉구
범용 양자 알고리즘, 잡음 환경 양자(NISQ) 알고리즘, 응용 SW 기술 등 제시
[애플경제 이윤순 기자] SW분야와 KAIST, 대학 컴퓨터공학자, 정보통신기획평가원, 민간과 기업 SW연구소 등 각계의 양자컴퓨팅 전문가 12인이 최근 양자컴퓨팅 소프트웨어(SW) 부문에서 우리가 필히 연마하며, 선도국들과의 격차를 줄이거나, 따라잡기 위한 SW기술들을 정리, 제시하고 있어 비상한 관심을 끌고 있다.
이들에 의하면 현재 양자 컴퓨터인 NISQ(Noisy Intermediate Scale Quantum computer: 오류내재중간 규모 양자 컴퓨터)는 연산 중 발생하는 다양한 노이즈 개선, 회로 최적화 등 SW 전문 연구를 통한 개선의 여지가 크다. 그러나 관련 연구는 아직 양자 SW 프로그래밍에 활용할 수 있는 오픈 소스 형태의 SW 개발도구, 컴파일러는 ‘Qiskit’, ‘Xanadu’ 등 소수에다, 기술도 초보 수준이란 지적이다.
이에 국내에서도 양자 컴퓨팅 시스템, 알고리즘 및 응용 SW 기술 등 기반 기술을 바탕으로 핵심 요소 기술과 함께 “우회기술이 적은 양자 컴퓨팅 SW 분야에서 기술 종속 여부를 결정하게 될 골든타임에 직면함에 따라 선택과 집중을 통해 성장 기회를 확보해야 한다”는게 이들 전문가들의 조언이다.
요소기술, 경쟁돌입기술, 핵심길목기술 등 3단계별 제안
이들은 그러면서 최근 정보통신기획평가원을 통해 공개한 합동 연구보고서에서 이를 위해 달성해야 할 기술을 3단계로 구분, 눈길을 끈다.
1단계는 양자 컴퓨팅 SW의 계층을 기능 중심으로 구조화(중분류-소분류)한 것이다. 2단계는 △‘소분류별 요소기술’ 중 해외 선점이 덜 되었거나, △향후 경쟁상태로 돌입할 가능성이 있는 기술, △기술을 개발하지 않을 경우 종속성으로 인한 손해 발생 가능성이 있는 기술을 ‘핵심길목기술’로 정의하고 소개하고 있다.
3단계는 도출된 ‘핵심길목기술’을 세계 누적 기술 수준, 전략적 포지셔닝 등을 기준으로 재분류한 것이다.
소분류 요소기술
그 중 1단계 기술을 보면 △계산 복잡도에서 양자 우위를 확보할 수 있는 범용 양자 알고리즘, △잡음 환경 양자(NISQ) 알고리즘, △알고리즘 및 검증 라이브러리 등이 있다.
‘알고리즘 및 검증 라이브러리’는 다양한 응용 분야 및 양자 HW를 지원하기 위해 기존 고전적인, 또는 새로운 양자 컴퓨팅 환경에 적용 가능한 인터페이스를 기반으로 한다. 이를 갖춘 양자 하드웨어 비의존적인 양자 알고리즘이나, 양자 HW 의존적인 검증․편의성 도구 라이브러리를 말한다.
이 밖에 △양자 알고리즘 작성을 지원하기 위해 고전 프로그래밍 언어를 확장한 고수준 프로그래밍 언어 및 개방형 양자 플랫폼을 활용한 저수준 프로그래밍 언어 기술이 있다. 이는
실용적인 문제에 활용하기 위해 대규모 큐비트로 구성된 양자 알고리즘을 설계하거나 고전 컴퓨팅 공통 기능을 양자컴퓨터에서 효과적으로 구현하는 도구를 제공하는 기술이다.
또 △특정 양자 컴퓨팅에서의 알고리즘 구현을 목적 하드웨어 명세 및 사용자 제약에 기반하여 다른 방식의 양자 컴퓨팅에서 실행 가능한 형태로 자동으로 변환하는 기술, △다양한 양자 HW 연동성과 상호운용성을 제공하기 위해 HW 추상화, 자원 최적화 및 코드 변환의 효율성을 극대화하는 고수준 양자 컴파일러 기술 등도 있다.
이와 함께 △고수준 양자 최적화 컴파일러를 보완하여 특정 양자 하드웨어를 대상으로 하는 물리적 게이트 및 펄스 수준의 게이트 분해, 양자 오류 저감 및 회로 최적화를 제공하여 큐비트 제어용 신호로 변환하는 저수준 양자 컴파일러 기술이 있다. 또한 △논리 큐비트 제어 로직 기술, 즉 양자 실행 코드를 논리 게이트 연산 분해, 실행 회로 최적화 및 시스템 합성을 수행하여 추상 마이크로 구조 코드로 변환하는 제어 처리하는 기술이 있다.
△추상 마이크로 구조 코드를 실제 양자 물리 장치의 특성을 반영하여 수행 시간 정보를 갖
는 마이크로 구조 코드로 변환하는 제어 처리 기술, △물리 큐비트 제어 로직, 즉 실제 양자 물리 장치와 연동된 디지털/양자 인터페이스 장치에 마이크로 구조 코드를 실행 등록하고 연산 수행 시간에 동기화된 실행 제어 처리를 수행하는 기술, △물리 큐비트 연산, 측정 및 다수 환경 요인으로 발생하는 상태 오류를 검출하고 논리적으로 보정하여 양자 잡음을 제거하는 양자 오류 정정 기술 등도 있다.
이와 함께 △고전 컴퓨터의 메모리상에 양자 큐비트 상태를 표현하고 수학적 행렬 연산을 적용해서 시간에 따른 양자 상태 변화를 전산 모사하는 상태벡터 기반의 디지털 시뮬레이터 기술이 있다. 또한 △양자 상태 변화 없이 양자 회로를 텐서 네트워크로 표현하고 각 텐서들을 그래프로 구성하여 양자 회로 진행에 따라 그래프 형태 변화를 전산 모사하는 텐서 네트워크 기반 디지털 시뮬레이터 기술도 있다.
선도국과 격차 없애야 할 ‘핵심길목기술’
이 밖에 연구자들은 또 필히 선도국과의 격차를 줄이거나 따라잡아야 할 ‘핵심길목기술’도 나열했다. 이에 따르면 △범용 양자 알고리즘 △잡음 환경 양자 알고리즘 등이 있다. 이는 다시 Short-depth 기반 양자 우위를 지닌 응용 알고리즘 기술이나, 양자-고전 하이브리드 응용 알고리즘 및 양자 우위 확보 기술, 양자 잡음 완화 기술로 구분된다.
이 밖에도 알고리즘 및 검증 라이브러리, 양자 회로 성능 검증 기술, 양자 프로그래밍 언어기술 등이 있다. 또한 양자 논리 변환 기술, 다른 방식의 양자 컴퓨팅 간 알고리즘 변환 기술, 컴퓨팅 방식 변환을 위한 자원 최적화 기술 등이 있다.
또한 △양자 컴파일러 기술도 있다. 이는 논리 큐비트 기반 양자 회로 최적화 기술, 물리 큐비트 기반 양자 회로 최적화 기술, 양자 큐비트 오류 저감 기술 등이다.
△논리 큐비트 제어 로직의 경우 가상 큐비트 기반 논리 연산 분해, 실행 회로 최적화 및 시스템 합성 기술 등이 있다. 또한 △물리 큐비트 가상화 기술은 ‘물리 큐비트 형상 기반 연산 회로 시스템 합성 및 마이크로 코드 고속 생성 기술’, ‘다양한 동일 물리계 장치를 지원하는 양자 하드웨어 추상화 계층 운영 기술’, ‘적층형 다중 큐비트 노드로 구성된 양자 물리 장치를 지원하는 칩모듈 간 연산 분배 관리 기술’, ‘물리 큐비트 제어 로직 등이 있다.
이 밖에도 연구자들은 △양자 오류 정정, △상태벡터기반 시뮬레이터, △ 텐서 네트워크 기반 시뮬레이터 기술 등을 제시했다.