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미래 산업의 게임 체인저, 양자정보과학기술 (Qist): 양자 2.0의 시대

◈ 목차

1. 들어가며

 · 양자기술 개요

 · 양자기술 부상의 배경

 · 양자기술 육성의 필요성

2. 환경 및 시장 분석

 · 국내 기술 동향

 · 경쟁 환경

 · 시장 역학 분석

 · 시장 분석

3. 연구개발 투자 및 성과 분석

 · 미국의 연구개발 투자전략

 · 일본의 연구개발 투자전략

 · 우리나라의 연구개발 투자전략

 · 우리나라의 투자 및 성과 분석

4. 시사점 및 제언

◈본문

1. 들어가며

▷ 양자기술 개요

 ● (개념) 양자기술 또는 양자정보과학기술(quantum information science & technology)은 “양자역학적 특성을 정보통신기술에 적용하기 위하여 양자상태를 생성(쓰고), 제어(전송, 저장, 처리), 측정(읽고) 및 분석하는 기술”로, 일반적으로 양자컴퓨팅, 양자통신, 양자센싱으로 구분됨(IITP, 2020)

  - 양자컴퓨팅: 양자역학적 현상을 이용하는 양자컴퓨터는 상호작용하는 양자비트(qubit, 큐비트)를 기반으로 하며 확률적이며 가역적 연산방법을 사용하는 컴퓨팅 기술

  - 양자통신: 송신자와 수신자 사이에 단일광자 또는 공유된 얽힘에서 고전 통신 기술의 도움으로 양자 정보(예를 들면, 광자 또는 원자의 상태)를 전달하는 기술

  - 양자센싱: 양자 원리를 활용함으로써 고전 시스템을 사용한 센싱·계측 기술의 분해능, 민감도, 측정영역의 한계를 극복하는 기술

 ● 양자 역학을 계산이나 통신에 응용하려는 움직임은 1980년대 Feynman에 의한 양자 시뮬레이션의 개념 제창까지 거슬러 올라감

  - 양자 역학과 정보 과학이 융합한 양자 정보 과학의 탄생을 거쳐, 이론대로 양자를 조작·제어할 수 있게 된 것은 1990년대 후반부터임

 ● 양자 결맞음(quantum coherence: 양자간 정보교환상태, 중첩의 근거), 양자중첩(quantum superposition), 양자 얽힘(quantum entanglement) 등의 양자 특유의 성질에 대해, 지금까지 어려웠던 제어와 활용이 가능하게 된 것을 「양자 2.0」으로 정의함

  - 최근에는 양자성을 유지하고 정보를 유지할 수 있는 양자 결맞음 지속시간이 연장되고 있음

  - 양자정보과학기술(양자 2.0)은 고도의 조작·제어기술의 진전에 의해 산업적 응용분야가 확장되면서 새로운 가치 창출의 가능성이 급속히 높아져가고 있음

▷ 양자기술 부상의 배경

 ● (빠른 연산 속도) 양자컴퓨터는 기존 최고의 디지털 슈퍼컴퓨터와 비교해도 비교 불가능할 정도로 연산속도가 빠름

  - 기존에 널리 사용되고 있는 RSA 암호체계는 2048비트를 사용하는 경우, 디지털컴퓨터를 이용하여 소인수 분해 방식으로 암호를 풀려면 100만년 이상 걸리는데, 범용 양자컴퓨터가개발된다면 이를 몇 초 안에 풀 수 있다고 함

 ● (반도체 칩 소형화의 한계) 기존 반도체 칩의 성능 향상 속도가 한계에 도달했고, 이로 인해 디지털 컴퓨터의 연산 성능 향상 속도가 더뎌지고 있어서 연산 속도가 매우 빠른 양자컴퓨터가 주목받고 있음

  - 반도체 집적회로의 성능은 18개월마다 2배로 증가한다는 ‘무어의 법칙’이 수십 년간 통용되어 왔으나 2000년대 이후로는 전혀 들어맞지 않을 정도로 반도체 칩의 성능 향상 속도가 느려짐

 ● (저전력) 활용이 급증하고 있는 슈퍼컴퓨터는 대규모 전력을 사용하는 데에 반해 양자 컴퓨터는 전력 소비가 상대적으로 매우 적음(아주경제, 2021; 이준, 2019)

  - 슈퍼컴퓨터의 전력소비량을 줄이고자 딥러닝 기술을 적용하는 경우도 있으나 근본적으로 전력 소비가 적은 양자컴퓨터가 주목받고 있음

 ● (인공지능의 한계) 최근에 인공지능 기술이 급속히 발전하기는 했으나 대규모 데이터에 대한 고속 연산을 필요로 하며 이로 인해서 많은 컴퓨팅 자원(RAM 및 GPU 등)과 대규모 전력사용이 필요하여 비용부담이 되고 있는 상황에서 저전력으로 초고속 연산이 가능한 양자기술이 주목받게 됨

  - 인공지능 기술이 제대로 적용되려면 많은 수의 정답 데이터(labeled data)가 필요한 경우가 대다수인데 이 것 역시 비용과 데이터 확보 측면의 한계로 작용함

▷ 양자기술 육성의 필요성

 ● (국가필수전략기술) 전세계적인 기술패권 경쟁이 심화되는 상황에서 우리나라도 양자기술을 기술주권 확보가 필요한 국가필수전략기술로 인식하고 있음

  - 제20대 대통령직 인수위원회(이하‘인수위’) 과학기술교육분과는 차기 정부 핵심 국정과제로 ‘국가전략기술 초격차 R&D 및 디지털 국가전략’을 추진한다고 발표하였는데, 양자기술이 국가전략기술 후보에 포함됨

 ● (난제 해결에 기여할 기술) 범용 양자컴퓨터가 개발된다면 빠른 연산 속도로 인해 다양한 난제 영역에서 해결사 역할을 하면서 산업 발전을 견인할 것으로 기대됨

  - (반도체) 집적회로의 형태 및 공정 프로세스 최적화, 반도체 미세구조 설계 등을 통해서 연산 성능의 획기적인 향상을 기대할 수 있음(과기정통부, 2021)

  - (의료 및 신약 분야) DAN 구조 분석을 통한 신약개발, 정밀 MRI, 미세암 진단 등에 활용될 수 있음

  - (안보 분야) 사이버 공격에 안전하게 시스템을 유지할 수 있음

...................(계속)

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