어제 미국 장에서 디웨이브가 과학 저널 사이언스에 발표된 논문에서 자사의 양자 컴퓨터를 이용해 전통적인 컴퓨터로는 불가능한 자기 물질(자석처럼 자성을 가진 물질)의 시뮬레이션을 20분만에 완료하면서 ‘양자우위(quantum supremacy)를 달성했다는 소식으로 8% 이상 상승했고, 오늘 우리나라 시장에서도 양자 컴퓨터 관련주들의 주가가 강세를 보이고 있다. 늘 양자 컴퓨터니 암호니 소리를 들어왔지만 정확히는 잘 모르니 그게 무엇이고, 어떻게 쓰이는 것인지, 오늘 달성했다는 양자우위가 무엇이길래 시장에서 관심을 갖는 것인지 이번에 알아보고, 오늘 주가 강세를 보이는 한국첨단소재, 케이씨에스와 어떤 관계가 있는 것인지 조사해봤다.
양자 컴퓨터가 뭐지?
- 양자 컴퓨터는 양자역학(Quantum Mechanics)의 원리를 활용하여 기존의 디지털 컴퓨터보다 압도적으로 높은 계산 능력을 제공하는 차세대 컴퓨터이다.
- 기존 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 비트(bit)를 사용하여 연산을 수행하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit, 양자비트)를 이용하여 동시에 여러 연산을 병렬로 처리할 수 있는 특징을 가진다. 이러한 특성 덕분에 양자 컴퓨터는기존 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 복잡한 문제를 극도로 빠른 속도로 해결할 수 있다.
양자 컴퓨터의 주요 기능
- 병렬 연산(Parallel Processing): 양자 컴퓨터는 양자 중첩(Superposition)의 원리를 활용하여 여러 개의 상태를동시에 계산할 수 있는 능력을 가진다.예를 들어, 기존 컴퓨터가 하나의 연산을 순차적으로 수행해야 한다면, 양자 컴퓨터는 여러 개의 계산을 한 번에수행할 수 있어 연산 속도가 기하급수적으로 증가한다.
- 양자 얽힘(Quantum Entanglement) 기반 연산: 양자 얽힘이란 두 개 이상의 큐비트가 서로 얽혀 있어, 한 큐비트의 상태가 즉시 다른 큐비트에 영향을 미치는 현상을 의미한다. 이를 통해 큐비트 간 정보 공유 및 연산이 고도로 효율적으로 이루어지며, 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 정보 처리가 가능해진다.
- 기존 암호 체계 해독 가능성: 양자 컴퓨터는 기존 암호화 기술을 빠르게 해독할 수 있는 능력을 가진다. 기존의 RSA 암호화는 소인수 분해를 기반으로 보안을 유지하지만, 양자 컴퓨터는 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm)을이용하여 기존 컴퓨터로는 수백 년이 걸릴 암호 해독을 몇 초 안에 수행할 수 있다.
이로 인해 양자 내성 암호(Post-Quantum Cryptography, PQC)의 개발이 필수적으로 진행되고 있다.
양자 컴퓨터를 만들기 위한 핵심 기술
큐비트(Qubit) 구현 기술: 큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 연산 단위이며, 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 현재연구되고 있는 주요 큐비트 구현 방식은 다음과 같다.
- 초전도 큐비트(Superconducting Qubit): IBM, 구글, 리게티(Rigetti) 등이 사용하며, 전자 회로에서 초전도체를이용해 양자 상태를 유지하는 방식이다.
- 이온 트랩(Ion Trap) 큐비트: 이온을 전자기장에 가두고 레이저를 이용해 제어하는 방식으로, IonQ가 연구하고 있다.
- 광자(Photon) 기반 큐비트: 광자를 이용하여 양자 상태를 유지하는 방식으로, 양자 통신과 연계하여 연구되고 있다.
- 실리콘 기반 큐비트: 기존 반도체 공정을 활용하여 큐비트를 제작하는 방식으로, 인텔이 연구하고 있다.
양자 오류 정정(Quantum Error Correction, QEC): 양자 컴퓨터는 외부 환경에 민감하여 노이즈(잡음)에 의해계산 오류가 발생할 가능성이 크다. 이를 방지하기 위해 양자 오류 정정 기술이 필수적이며, 대규모 실용적 양자 컴퓨터를 만들기 위해 해결해야 할가장 중요한 과제 중 하나이다.
양자 게이트(Quantum Gate) 및 알고리즘: 양자 컴퓨터의 연산을 위해서는 기존 컴퓨터의 논리 게이트와 유사한 양자 게이트(Quantum Gate)가 필요한데, 현재 가장 중요한 양자 알고리즘은 다음과 같다.
- 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm): 대형 소수를 빠르게 소인수 분해하는 알고리즘으로, 기존 암호 체계를 무력화할 가능성이 높다.
- 그로버 알고리즘(Grover’s Algorithm): 데이터베이스 검색을 기존보다 훨씬 빠르게 수행할 수 있도록 한다.
- 양자 시뮬레이션(Quantum Simulation): 분자 구조 분석 및 신약 개발에 활용될 수 있다.
양자 컴퓨터, 어디에 사용될 수 있나
- 신약 개발 및 분자 시뮬레이션: 양자 컴퓨터는 분자의 양자적 특성을 시뮬레이션하는 데 뛰어난 성능을 발휘할 수 있다.
이를 통해 신약 개발 과정에서 신물질을 빠르게 분석하고, 부작용을 최소화할 수 있는 최적의 화합물을 찾는 데활용될 수 있다. 현재 머크(Merck), 로슈(Roche), 화이자(Pfizer) 등의 글로벌 제약사가 양자 컴퓨터를 활용한 신약개발을 연구하고 있다. - 금융 및 투자 분석: 양자 컴퓨터는 금융 시장의 리스크 분석, 포트폴리오 최적화, 옵션 가격 결정 등에서 강력한성능을 발휘할 수 있다.
골드만삭스, JP모건, 모건스탠리와 같은 대형 금융기관들이 양자 컴퓨터를 활용한 연구를 진행하고 있다. - 인공지능(AI) 및 머신러닝: 양자 컴퓨터는 기존 AI 시스템의 학습 속도를 획기적으로 높이고, 복잡한 패턴 분석을 수행할 수 있는 능력을 제공한다.
구글과 IBM은 양자 머신러닝을 활용하여 기존 딥러닝 알고리즘을 개선하는 연구를 진행하고 있다. - 기후 예측 및 재난 대응: 양자 컴퓨터는 기후 모델링 및 시뮬레이션을 더욱 정교하게 수행할 수 있어 기후 변화예측 및 재난 대응에 활용될 수 있다.
NASA와 유럽 기상청이 양자 컴퓨터를 활용한 연구를 진행하고 있다. - 보안 및 암호 기술: 기존의 암호화 방식이 양자 컴퓨터에 의해 해독될 위험이 있기 때문에, 양자 내성 암호(PQC) 기술이 개발되고 있다. 또한, 양자 키 분배(QKD) 기술을 활용한 보안 네트워크 구축이 진행되고 있다.
그럼, ‘양자우위’를 달성한 디웨이브와 ‘양자우위’가 어떤 의미일까
디웨이브:
- 디웨이브(D-Wave)는 세계 최초로 상용 양자 컴퓨터를 개발한 캐나다의 양자 컴퓨팅 전문 기업이다.1999년에 설립되었으며, 본사는 캐나다 브리티시컬럼비아주 번쿠버에 위치해 있다.
- 다른 양자 컴퓨팅 기업들이양자 게이트 방식(Gate-based Quantum Computing)을 연구하는 것과 달리, 디웨이브는 양자 어닐링(Quantum Annealing) 방식을 이용한 양자 컴퓨터를 개발해왔다.
- 디웨이브는 현재까지 여러 세대의 양자컴퓨터를 출시하였으며, 최신 모델은 D-Wave Advantage™로,5,000개 이상의 큐비트(Qubit)를 보유하고있으며, 15개의 연결성을 가진 구조로 구성되어 있다. 기존 모델보다 연결성이 2.5배 증가하여 복잡한문제를 더욱 빠르게 해결할 수 있도록 설계되었다.
양자우위(quantum supremacy):
- 양자 컴퓨터가 기존의 슈퍼컴퓨터보다 특정 연산을 압도적으로 빠르게 수행할 수 있음을 증명하는 순간을 의미하는 개념이다. 양자 우위는 양자 컴퓨터의 핵심 원리인 양자 중첩(Superposition)과 양자 얽힘(Entanglement)을 이용하여 연산 속도를 비약적으로 증가시키는 것에 기반하는데, 이러한 원리를 활용하면 기존의 슈퍼컴퓨터가 수천 년이 걸릴 계산을 양자 컴퓨터가 몇 초 만에 수행할 수 있는가능성이 열린다.
- 2019년 구글과 2024년 디웨이브가 이를 주장하며, 실제로 양자 컴퓨터가 특정 분야에서 기존 컴퓨터를 능가할 수 있음을 보여주었지만 아직 상용화까지 해결해야 할 기술적 과제가 남아 있으며, 오류 정정 및 대규모 큐비트 구현 등의 연구가 지속적으로 필요하다.
오늘 양자컴퓨터 관련 강세를 보인 케이씨에스, 한국첨단소재는 이 양자컴퓨터와 어떤 관계가 있나?
한국첨단소재 (062970, 6,390원 +29.88% 장중가격)
- 회사 개요: 광통신 부품 제조업체로, 광섬유 격자(FBG) 기반의 광부품 및 광센서를 개발하고 생산하는데, 주요 사업 분야로는 세 분야 - 광파워분배기 및 파장 분할기 사업과, AWG, 휴대용 광계측기 사업을 영위하고 있다. PLC 광 파워 분배기 및 파장 분할기 부분은 광통신 가입자 망의 핵심 부품인 PLC(Planar Lightwave Circuit) 광 파워 분배기와 파장 분할기를 생산하여 국내 통신 3사 및 미국, 유럽, 일본, 중국, 인도 등 해외 시장에 공급하는 사업이고, AWG(Arrayed Waveguide Grating) 사업은 AWG를 데이터 센터 내부 트랜시버에 장착되어 사물인터넷(IoT), 클라우드 서비스 등의 인프라에 활용하는 사업이며, PLC을 활용한 휴대용 광계측기 사업도 하고 있다.
- 양자 기술 관련성: 양자 암호통신에서 중요한 역할을 하는 광간섭계 모듈을 개발하였으며, 이를 유럽의 양자 암호 시스템 기업인 스위스 ID Quantique에 납품하고 있고, 2025년 1월에는 딥마인드와 협력하여 국방 드론용 양자내성암호 체계 공동 개발을 위한 업무협약(MOU)을 체결했다.
케이씨에스(KCS)(115500, 12,900원 +21.54% 장중 가격)
- 회사 개요: 2002년 한국컴퓨터지주에서 물적 분할을 통해 설립된 기업으로, 금융, 공공, 통신, 철도, 보안 등 다양한 산업 분야에서 정보화 및 자동화를 위한 통합 시스템 컨설팅 및 개발, 시스템 구축, 유지보수, 보안, IT 인프라구축 및 이전 등의 솔루션을 제공하는 IT 전문 기업이다.
- 양자 기술 관련성: 자체 개발한 통신 암호칩 'KEV7'과 양자 난수 생성기(QRNG) 기술을 적용한 다양한 암호통신솔루션을 보유하고 있는데, 특히, 2023년 SK텔레콤 자회사 IDQ와 협력하여 국내 최초의 양자암호 원칩'QKEV7'을 공동 개발하였으며, 이 칩은 2024년 11월 국가정보원의 암호모듈 검증을 통과했다.
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