양자컴퓨터로 실용 문제 해결 시작한다

스웨덴 연구팀, 소규모 항공 물류 최적화에 성공

양자컴퓨터는 어떤 특정 과업을 해결하는 데서 이미 일반 컴퓨터를 넘어선 것으로 알려져 있다. 하지만 문제는 이제까지 해결한 과제들이 실용성이 없는 작업들이었다는 점이다.

따라서 앞으로는 양자컴퓨터가 유용한 일을 할 수 있도록 시스템과 소프트웨어 환경을 잘 갖춰가는 일이 숙제다. 최근 스웨덴 샬머스 과학기술대 연구팀이 작지만 잘 기능하는 양자컴퓨터로 실제 물류 문제의 작은 부분을 해결할 수 있음을 보여주었다.

최근 몇 년 동안 양자컴퓨터에 대한 관심이 크게 높아지면서 전 세계 여러 곳에서 열띤 작업들이 진행되고 있다. 지난해 구글 연구팀은 자신들의 양자컴퓨터가 세계에서 가장 좋은 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠르게 과업을 수행할 수 있음을 보여줌으로써 중요한 돌파구를 마련했다.

스웨덴 샬머스 과학기술대 연구팀은 작지만 잘 작동하는 양자컴퓨터로 실제 항공 물류 문제를 해결할 수 있음을 보여주었다. © Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology (for photo montage)

이런 장밋빛 가능성에도 불구하고 양자컴퓨터의 현재 단점은 이를 이용해 해결한 과제들이 전혀 실용적이지 않았다는 점이다. 해결된 과제들은 기존의 컴퓨터가 풀기는 매우 어려웠으나, 양자컴퓨터가 해결하기는 쉬운 것으로 판단돼 선택됐다는 것이다.

이런 상황에서 이제 중요한 과제는 일반 컴퓨터의 범위를 넘어서되 비교적 작은 양자컴퓨터로 해결할 수 있는 유용하고 실용성과 관련된 문제들을 찾는 일이다.

2018년에 시작된 샬머스 과학기술대 양자컴퓨터 프로젝트 리더 중 한 명인 이론물리학자 줄리아 페리니(Giulia Ferrini) 조교수(마이크로테크놀러지 및 나노과학)는 “개발 중인 양자컴퓨터가 조기에 이런 문제들을 해결하는 데 도움이 될 수 있도록 산업계 회사들과 긴밀하게 협력하고 있다”고 밝혔다.

예페슨 항공 물류 회사의 산업계 박사과정생을 포함한 샬머스대 팀은 최근 양자컴퓨터가 항공산업의 실제 문제를 해결할 수 있음을 보여주었다. 이 과정에서 줄리아 페리니 교수는 샬머스 과학기술대 외란 요한손(Göran Johansson) 이론 및 응용 양자물리학 교수와 함께 이론 작업을 이끌었다.

샬머스 과학기술대 양자컴퓨터를 냉각시키는 저온 유지 장치. © Johan Bodell/Chalmers University of Technology

2큐비트에서 증명된 알고리즘

항공 회사들은 늘 차질 없이 비행 일정을 잡는 문제에 직면해 있다. 예를 들어 개별 항공기를 다른 항로에 잘 할당하기 위해서는 어떻게 최적화를 하느냐는 문제가 대두되며, 항로와 항공기 수가 증가함에 따라 문제의 규모와 복잡성은 매우 빠르게 증가한다.

연구팀은 양자컴퓨터가 궁극적으로는 오늘날의 컴퓨터보다 이런 문제를 더 잘 처리할 수 있을 것으로 보고 있다. 양자컴퓨터의 기본 구성요소인 큐비트(qubit)는 현재의 컴퓨터 구성요소와는 완전히 다른 원리를 기반으로, 엄청난 양의 정보를 상대적으로 적은 큐비트로 처리할 수 있다.

그러나 구조와 기능이 다르기 때문에 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 다른 방식으로 프로그래밍해야 한다. 초기 양자컴퓨터에서 유용하다고 생각돼 제안된 알고리즘 중 하나는 이른 바 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA, Quantum Approximate Optimization Algorithm)이다.

샬머스 연구팀은 최근 연구 작업에서 이 알고리즘을 2큐비트 프로세서를 가진 자신들의 양자컴퓨터에서 성공적으로 수행함으로써 항공기를 항로에 할당하는 문제를 잘 해결할 수 있음을 보여주었다.

이들의 연구는 미국물리학회 ‘피지컬 리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)’ 9월 3일 자에 두 편의 논문으로 실렸다.    

이 첫 번째 시연에서는 다만 두 대의 비행기만을 대상으로 한 매우 작은 규모였기 때문에 결과를 쉽게 확인할 수 있었다.

샬머스 과학기술대 응용 양자물리학과 줄리아 페리니 조교수는 “QAOA 알고리즘은 항공기의 항로 할당 계획 문제를 대규모로 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있다”고 밝혔다. © Johan Bodell/Chalmers University of Technology

천리길도 걸음부터

이 개가를 통해 연구팀은 QAOA 알고리즘이 실제로 항공기를 항로에 할당하는 문제를 해결할 수 있다는 사실을 처음으로 증명했다.

이들은 또한 지금까지 알려진 것보다 한 단계 더 높은 알고리즘을 수행했는데, 이 성과를 이루기 위해 매우 좋은 하드웨어와 정확한 제어가 필요했다.

샬머스 양자컴퓨터 구축 프로젝트 리더 중 한 명이자 실험 디자인을 맡고 있는 요나스 빌란더(Jonas Bylander) 선임 연구원은 “우리는 과제를 양자 프로세서에 매핑할 수 있는 능력이 있음을 보여주었다”며, “아직 큐비트 수는 적으나 잘 작동하는 양자컴퓨터를 가지고 있다”고 말했다.

그는 자신들의 계획이 규모를 확장하기 전에 먼저 모든 것을 작은 규모에서 잘 작동하도록 만드는 것이었다고 설명했다.

연구팀의 이론가들은 또 25큐비트의 양자컴퓨터가 필요한 278대의 항공기 경로 최적화 문제 해결을 위한 시뮬레이션도 수행했다.

줄리아 페리니 교수는 “규모를 확장했는데도 결과는 양호했다”며, “이는 QAOA 알고리즘이 이런 유형의 문제를 더 큰 규모로 해결할 가능성이 있음을 시사한다”고 밝혔다.

그러나 오늘날 쓰이는 최고의 컴퓨터를 능가하려면 훨씬 더 큰 장치가 필요한 것으로 여겨지고 있다. 샬머스 연구팀은 규모 확장을 시작해 현재 5큐비트로 작업을 하는 중이다. 이들은 2021년까지 고품질을 유지하면서 최소 20큐비트에 도달하는 것을 목표로 삼고 있다.

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