핵심 인재, 산학계 파트너, 연구 성과로 본 ‘마이크로소프트의 양자컴퓨팅’

올해 스위스 다보스에서 열린 세계경제포럼의 의제에는 암울한 분위기가 스며들어 있었다. 지난 몇 년간 기술에 대한 낙관론이 많았던 것과는 큰 차이가 있었다. 민족주의, 불안정, 불평등이 크게 확대되었기 때문이다.

그러나 마이크로소프트의 참석자들은 기후 재앙 종식, 의료 및 보건 분야의 놀라운 발견, 오랜 세월 동안의 연구를 단 몇 개월 심지어 몇 주나 며칠 만에 완료할 수 있는 능력 등 실제 작동하는 양자컴퓨팅의 발전에 도움을 받는 새로운 세상에 대한 비전을 제시했다.

예일대학교에서 양자 물리학 박사 학위를 취득한 줄리 러브 박사는 마이크로소프트의 신임 시니어 디렉터로 양자 분야를 담당하고 있다. 지난달 다보스에서 러브에 따르면 새로운 컴퓨팅 방식은 포럼에 참석한 CEO, 학자, 경제학자, 언론인들에게 주요 관심사임이 입증됐다.

러브는 <컴퓨터월드UK>와 가진 인터뷰에서 “기하급수적으로 향상될 잠재력이 매우 크다. 데이터와 AI 시스템이 확대되고, 무어의 법칙이 종식된 가운데 컴퓨터 속도와 성능에서는 큰 발전은 없다. 이에 컴퓨팅 분야에 이것이 필요한 실정이다”라고 말했다.

양자컴퓨팅은 ‘알려진 우주’의 원리에 대한 발견, 기후 변화에 따른 영향 경감, 기존 암호의 완전한 해독 등 기존의 컴퓨터로는 제약이 있었던 문제들을 해결할 수 있는 잠재력이 있다.

처음에는 세상에 클리피(Clippy)를 도입해 소개한 회사와 문명에 큰 변화를 가져올 하드웨어를 연결하는 것이 반직관적으로 느껴질 수도 있다. 그러나 양자컴퓨팅이 해결할 수 있는 문제에는 상당한 설득력이 있음을 인정해야 한다.

언젠가 이를 구현하기 위해서는 많은 리소스가 필요한데, 마이크로소프트는 여기에 전력을 기울이고 있다. 마이크로소프트가 양자 ‘충격’이라고 부르는 것을 구현한다는 목표로 물리학자와 다양한 분야의 엔지니어들이 하드웨어와 소프트웨어 측면의 문제들을 해결하고 있는 글로벌 양자컴퓨팅 중심 네트워크를 구축한 것을 예로 들 수 있다.

러브는 “마이크로소프트가 하나의 회사로 추진했던 다른 중요한 하드웨어 개발과 일맥상통한다. 구체적 통계를 공개하지는 않았지만, 우리는 많은 리소스를 투입하고 있다. 우리에게 필요한 돌파구적 혁신을 고려하면서 아주 광범위한 규모로 글로벌 인재들로 구성된 팀을 만들고 있다. 전세계에 마이크로소프트 양자 연구소가 있다. 시작할 때부터 마이크로소프트에서는 이를 다룰 다양한 인재들을 찾을 수 없다는 점을 알고 있었기 때문이다”라고 말했다.

양자컴퓨팅 인재들은 수학자, 이론 물리학자, 칩 설계자, 소프트웨어 개발자, 기계 엔지니어, 소재 분야 과학자들로 구성되어 있다. 여기에서 언급하기 힘들 정도로 많은 사람이 마이크로소프트의 양자컴퓨팅 기술 개발에 공헌하고 있다. 중요 인사로는 스탠퍼드대학교 출신으로 엑스박스와 키넥트 등 비디오게임 하드웨어 시장 진출을 진두지휘했으며 지금은 양자 부문의 CVP인 토드 홈달, 2000년대 중반 마이크로소프트 퀀텀 스테이션Q의 초대 소장을 맡은 저명한 과학자인 마이클 프리드먼, 미국 물리학 협회 펠로우로 최근 함부르크 이론 물리학상을 받은 매티아스 트로이어 등을 꼽을 수 있다. 또 크리스타 스보어는 양자 시스템 제너럴 매니저로 레드먼드에 있는 마이크로소프트 연구 그룹을 통솔하고 있으며, 체탄 나야크는 양자 하드웨어 제너럴 매니저를 맡고 있다.

나노와이어에서 마요라나 입자에 대한 증거를 발견하는 등 양자 분야에서 여러 중요한 과학적 발견을 한 네덜란드 텔프트 공과대학교의 응용 물리학 교수인 레오 쿠오벤호벤은 마이크로소프트의 수석 연구원으로 일하고 있다.

그렇다면, 마이크로소프트가 실제 추진하고 있는 활동, 지금까지의 과정, 다음 단계는 무엇일까?
 

‘양자 충격(Quantum impact)’ 구현
양자 분야의 주요 업체들은 양자 ‘우월(Supremacy)’, 양자 ‘우위(Advantage)’, 양자 ‘충격(Impact)’ 등의 표현을 각자 선택해 사용하고 있다.

이런 개념들은 아직은 초창기인 양자컴퓨팅이 쉽게 해결할 수 없었던 문제들을 풀면서 전통적인 컴퓨터의 능력을 능가하는 단계를 의미한다. 양자컴퓨팅은 전통적인 방법으로는 수천 년이 걸릴 수 있는 문제 해결 시간을 몇 달, 몇 주, 며칠로 줄일 수 있다.

마이크로소프트가 선호하는 용어는 (모든 양자 커플링이 그렇듯)공상과학적 충격을 주는 것에 더해, 양자 세계가 가져올 변화의 무게감을 느끼게 해주는 ‘양자 충격’이라는 용어다.

마이크로소프트가 2019년 말 개최한 연례 이그나이트(Ignite) 컨퍼런스에서, 자신의 저서인 히트 리프레시(Hit Refresh)에서 양자컴퓨팅이 마이크로소프트의 전략 우선순위라고 강조했던 사티아 나델라 CEO는 애저 퀀텀이라는 이름으로 클라우드에 양자컴퓨팅을 도입하는 계획을 간략히 소개했다.

애저 퀀텀에는 지금까지 10여 년 동안의 연구 결과가 결집될 전망이다. 마이크로소프트는 애저의 클라우드 컴퓨팅 인터페이스를 개발자 우선 방식과 결합, 양자 개발 키트(Q#: Quantum Development Kit) 프레임워크와 함께 새로운 환경을 구현할 계획이다.

클라우드를 통한 접근은 궁극적으로 물리적 접근 없이도 사용자들이 공급이 부족할 수도 있는 엄청난 컴퓨팅 파워를 활용할 수 있게 도와준다. 컴퓨팅 측면의 방법론에 차이가 있기는 하지만, IBM 역시 IBM Q 익스피리언스 플랫폼으로 클라우드를 통한 프로토타입 양자 프로세스에 대한 접근을 제공하는 개념을 연구하고 있다.

마이크로소프트는 하드웨어와 소프트웨어에 파트너들과 협력하면서 종합적으로 접근하고 있다. 여기에는 1QBit, QCI, 포획 이온(Trapped ion) 양자컴퓨팅과 양자 서킷 구현 분야의 전문 기업으로 메릴랜드에 위치한 아이온큐(IonQ) 같은 신생 창업회사들도 포함되어 있다. 하드웨어의 경우, 우주항공 및 엔지니어링, 방산 분야의 대형 기업인 하니웰도 마이크로소프트와 협력하고 있다. 이 회사는 포획 이온 하드웨어 및 양자컴퓨팅 구현에 필요한 다른 제어 시스템에 대한 전문성을 갖고 있다.

지난해에는 극저온 CMOS 반도체 디자인도 발표했다. 이 회사에 따르면, 양자컴퓨팅에 필요한 온도인 절대 영도에 가까운 온도에서 운용 가능한 1cm2 칩과 3개 와이어를 통해 최대 5만 큐비트를 제어할 수 있는 디자인이다.

이들 파트너십의 대표적인 것이 바로 2019년 초에 양자컴퓨팅을 발전시키기 위해 발족한 광범위한 규모의 연합체인 마이크로소프트 퀀텀 네트워크다. 여기에는 케임브리지 퀀텀 컴퓨팅(Cambridge Quantum Computing), 퍼시픽 노스웨스트 내셔널 랩(Pacific Northwest National Laboratory), 쿠랩(Qulab), QCI 등이 참여하고 있다. 고객들은 넷웨스트(Netwest), 다우(Dow), 포드(Ford), 케이스 웨스턴(Case Western) 등이다.

퀀텀 네트워크의 학계 파트너로는 텔프트공과대학교, UC산타바바라, 퍼듀대학교, 워싱턴주립대학교, 아인트호벤공과대학교, 코펜하겐대학교, 시드니대학교 등이 있다.

마이크로소프트 퀀텀 네트워크와 직결된 이니셔티브는 양자컴퓨팅 토폴로지 발전에 대한 비전을 공유하는 퀀텀 랩스 이니셔티브다. 이에 대해서는 나중에 자세히 설명할 예정이다.

또한, 마이크로소프트는 양자 소프트웨어 개발에 집단의 지혜를 활용하는 오픈소스 프레임워크를 발전시킨다는 목표도 추구하고 있다. 연구기관들이 오픈소스 양자 개발 언어를 확산하려 시도하는 경쟁 업체 대신 마이크로소프트를 선택하는 이유는 무엇일까?

“사람들이 유용한 것을 원할 것”이라고 생각한다며 러브는 자신의 의견을 전했다. 

이어서 “전세계 사람들은 이 기술의 ‘파급력’을 실현하기 갈망한다. 오픈소스 소프트웨어는 하나의 구성요소지만, 실행 환경에서도 선택권이 있다. 영구적인 코드를 개발하고 싶을 것이다. 그런데 하드웨어는 빠른 속도로 변화한다. 우리는 이에 고수준의 접근법을 선택, 양자 알고리즘을 만든 다음에 다양한 실행 환경에서 실행을 할 수 있도록 접근하고 있다. 이런 방식이 유용할 것으로 판단한다”라고 이야기했다.

페르미온(Fermions) 발견
마이크로소프트는 꽤 오래전에 양자컴퓨팅에 투자했다. 구글 같은 다른 유수 회사들이 이 분야에 뛰어들기 훨씬 전이다. 윈도우 비스타 출시 전인 2004년에 첫 번째 양자컴퓨팅 연구소를 만들었다. UC산타바바라에 위치한 스테이션 Q 랩이다. 초대 소장은 1997년부터 마이크로소프트에서 일했으며, 양자 역학 토폴로지와 관련된 과학적 성취를 이룬 수학자인 마이클 프리드먼이었다. 

양자컴퓨팅의 수많은 도전과제 중 하나는 양자 정보의 기본 단위로 2개의 상태를 가진 큐비트(Qubit)의 불안정성이다.

많은 경고 없이 사라지는 경향이 있고, 환경이 아주 조금만 바뀌어도 붕괴의 위험이 있다. 양자컴퓨팅은 이렇게 쉽게 붕괴되는 ‘물리적 큐비트’를 방해로부터 보호가 되고, 양자 정보를 보유할 수 있을 정도로 안정적인 ‘논리적 큐비트’로 전환할 수 있을 때만 구현된다.

마이크로소프트는 이런 정밀한 문제의 솔루션 중 하나를 토폴로지 시스템에서 찾을 수 있다고 믿는다. 기즈모도(Gizmodo)의 설명에 따르면, 이는 변화에도 불구하고 고유 특성을 유지하도록 엔지니어링 할 수 있는 장비들이다.

이런 토폴로지 큐비트에 대한 열쇠는 마요라나 페르미온에 있다.

이탈리아의 이론 물리학자인 에토레 마요나라는 반입자이기도 한 입자에 대한 가설을 제시했다. MIT 테크놀로지 리뷰의 설명에 따르면, 이런 입자 둘이 만나면 에너지가 폭발하면서 서로를 소멸시킨다.

물리학자들은 지난 10년이 시작되기 직전까지 이 ‘마요나라 페르미온’을 증명하려 시도했다. 그러다 마이크로소프트가 위탁한 연구를 수행하던 네덜란드의 팀이 돌파구적 발견을 발표했다.

2012년 피직스월드의 보도에 따르면, 레오 쿠오벤호벤이 이끌던 델프트와 아인트호벤의 연구팀이 마요나라 페로미온이 존재한다는 증거를 발견했다. 이들은 토폴로지 초전도체(표면에서 벌크 상태지만 일반적인 금속 상태로 초전도체로 기능하는 물질)를 연구하는 과정에 나노와이어의 한쪽 끝에 정의하기 어려운 물질이 위치하는 것을 발견했다.

나노와이어의 한쪽 끝은 초전도체 가까이 위치하며, 다른 한쪽 끝은 금 소재 전극에 연결되어 있다. 이를 모두 우주 공간과 비슷하거나 낮은 온도인 수십 밀리켈빈(millikelvin)으로 냉각한다. 그리고 나노와이어를 따라 자기장을 적용한다. 연구팀은 장비에서 자기장과 전기장에 반응하지 않는 것은 나노와이어의 한쪽 끝에 포함된 마요나라 페르미온의 존재로만 설명이 가능하다고 주장했다.

보다 최근에는 델프트 공과대학교와 마이크로소프트 주도로 이런 토폴로지 장비에서 분열되고 분절된 입자와 관련해 진전된 성취를 이루었다. 기즈모도는 이와 관련해 “이런 시스템에서 양자 정보는 단일 입자가 아닌 전체 와이어의 집합적 행동(동작)으로 저장이 될 것이다. 자기장의 와이어를 조정하면 전자의 절반, 더 정확히 말해 전자와 전자가 아닌 것의 중간에 해당하는 입자가 한쪽 끝에 위치하게 되는 것으로 보인다. 이런 마요나라 페르미온, 또는 마요나라 제로 모드를 시스템의 집합적인 토폴로지 동작이 보호를 하며, 다른 것에 영향을 주지 않고 와이어를 따라 이동시킬 수 있다. 또한 이런 마요나라 제로 모드로 2개 큐비트 상태가 구성된다. 이를 결합하면 제로 입자, 또는 완전한 하나의 입자로 변환된다”라고 설명했다.

이러한 발견과 관련, 레오 쿠오벤호벤은 <컴퓨터월드UK>에 “사실 처음에는 우리가 측정한 작은 ‘제로 바이어스 피크(Zero-bias peak)’가 마요나라와 관련이 있다고 생각하지 않았다. 한 달 정도 지나서야, 우리가 제 궤도로 움직이고 있다는 점을 확신할 수 있었다. 또 3개월이 더 지나서야 축하할 정도의 성취라는 점을 깨달았다”라고 말했다.

러브에 따르면, 이런 큐비트는 절대온도 0도보다 아주 조금 높은 온도에서 구현된다.

그녀는 “우리가 정보를 물질 자체에 인코딩할 수 있는 나노와이어를 토대로 큐비트를 개발하고 있다”라고 말했다.

이를 위해서는 하니웰과 제휴해 개발한 것 같은 전혀 다른 제어 시스템이 필요하다. 그녀는 “극저온 칩은 3개 와이어만 이용해 최대 1만 큐비트를 제어할 수 있다. 이 입자에는 특징이 있다. 이런 나노와이어에 대해 생각할 경우, 적합한 전기 및 자기장을 이용해 전자를 분절시켜 나노와이어 양쪽 끝에서 가운데에 놓을 수 있다”라고 설명했다.

마이크로소프트는 노이즈가 많지 않은 더 견고한 큐비트를 구현하기 원한다. 러브는 “노이즈가 많은 큐비트는 실험실에서 항상 구현이 가능하다. 그러나 ‘충격(영향)’을 실현하기 위해서는 더 성능이 더 높고 견고한 큐피트가 필요하며, 토폴로지 시스템이 이에 대한 ‘답’으로 판단된다”라고 말했다.

양자의 활용
과거에는 마이크로소프트의 연구들이 우리가 아는 세상을 완전히 혁신하지는 못할 것 같았다. 그러나 지금 당장 양자컴퓨팅에 대한 지식을 활용할 수 있는 분야가 있다. 최적화 문제들이 여기에 해당한다.

러브에 따르면, 마이크로소프트의 연구는 알고리즘에 대한 더 깊은 이해를 제공했다. 아직은 실제 작동하는 미래의 양자 컴퓨터에 사용할 수 있는 알고리즘들을 준비하는 단계이지만, ‘양자에 기반한(Quantum-inspired)’ 알고리즘은 지금 당장도 전통적인 컴퓨터에 활용이 가능하다.  이는 변수가 아주 많은 까다로운 최적화 문제에 아주 유용하다.

러브는 “양자에 기반을 둔 문제 해결 방식으로 상당한 발전을 일궈낼 수 있음이 증명되었다. 이것이 돌파구적 발견으로 이어졌다”라고 말했다.

마이크로소프트는 이런 ‘양자 기반’ 방법들을 테스트하기 위해 오하이오 소재 케이스 웨스턴 리저브 대학과 협력했다. 2018년, 마이크로소프트는 MRI를 이용한 암 진단과 관련, 이 기관을 지원하기 시작했다.

이 대학의 연구원들은 강력하지만, 값이 비싸고, 기존 MRI 스캔보다 조금 발전된 MRF(Magnetic Resonance Fingerprinting)를 혁신하는 연구를 시작했다. MFR는 고정된 데이터 포인트 계열 대신, 변동되는(그러나 일정한) 펄스 시퀀스를 사용하는 방법이다.

그러나 이 방법에는 최적화 문제가 존재한다. 또한, 더 효율적이면서 효과적인 이미지를 도출하기 위해서는 이상적인 펄스 시퀀스를 찾아야 한다.

러브에 따르면, 마이크로소프트의 ‘양자에 기반을 둔 이해’ 방식은 팀이 협력, 정확도를 30%까지 높이고, 이미지 품질을 손상하지 않으면서, 3배 더 빠르게 스캔을 할 수 있도록 도움을 주는 알고리즘을 개발하는 데 도움을 주고 있다. 스캔한 세포를 더 명확히 이해 및 파악, 더 빨리 진단하는 데 목적이 있다.

이런 연구 및 활동은 불가능하거나 매우 어려운 것으로 생각되었던 과학적 난제들을 다시 돌아보게 만드는 잠재력이 있다.

러브는 “우리가 협력하고 있는 마크 그리스올드는 연구 지원금을 거부당했었다. 펄스 시퀀스 최적화가 해결이 불가능한 것으로 여겨졌기 때문이다. 몇 달간 협력하면서 많은 새로운 개념들이 도출되었다. 그러면서 ‘불가능한 것이 아니라면?’이라고 말할 수 있는 단계가 되었다”라고 말했다. dl-ciokorea@foundryco.com