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배포일자 : 2018.7.3.(수)				배포번호 : 2018-44호
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매수 : 보도자료 3매(사진 5매, 참고자료 3매)						배포처 : ETRI 성과홍보실

국내 연구진이 컴퓨팅에 있어 프로그램을 컴파일 하는 과정을 빠르게 만드는 SW원천기술개발에 성공했다. 특히 연구진은 최근 이슈가 되고 있는 양자컴퓨팅에 본 기술을 적용, 향후 관련 기술개발에 탄력이 붙을 전망이다.

모든 컴퓨팅에 있어 알고리즘을 개발해 프로그래밍하면 컴퓨터가 이해하는 언어로 바꾸는 작업이 필요하다. 바로 기계어 변환과정이다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 양자컴퓨팅 플랫폼 개발과 관련, 양자 알고리즘을 컴퓨터가 이해하도록 양자 기계어로 변환하는 과정에서 기존 기술 보다 효율적인 양자 컴파일 요소기술 개발에 성공, 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재되었다고 밝혔다.

연구진은 논문을 통해 대부분의 양자 알고리즘에서 사용되는‘조건부 회전 게이트(Controlled-Rn)’라는 기본적인 양자 연산에 대해 세 가지 효율적인 컴파일 방법을 개발, 향후 개발될 양자컴퓨팅에 활용될 수 있다고 밝혔다.

연구진은 기존 컴파일 기술보다 먼저, 회전게이트 숫자를 35개에서 21개로 대폭 줄였다. 또한 물리적 구조에 적합한 맞춤형으로 컴파일 되는 방법을 제안했다. 아울러 양자컴퓨터의 동작시간을 기존 17단계에서 5회로 줄이는 방법을 고안해 냈다.

실제 간단한 연산을 양자컴퓨팅을 통해 2+3을 명령하자 화면상에는 양자적으로 계산한 결과가 나왔다. 양자프로그래밍은 덧셈기 회로를 통해 해본 결과 1,364회를 작업해야 했다. 하지만, ETRI 연구진이 개발한 컴파일 엔진을 쓰게 되니 145개 라인으로 바뀌었다. 결국, 양자연산시 보다 쉽고 더 빠르게 연산이 가능케 된 셈이다.

그동안 전 세계 양자컴퓨팅 관련 연구자들에게 있어 컴파일 과정, 즉 기계어로 변환될 때 양자컴퓨팅 자원을 너무 많이 쓴다는 지적이 있어왔다. 이에 대한 해결이 절실했는데 연구진이 이런 문제점을 푸는 키를 논문으로 밝힌 셈이다.

ETRI 연구진에 의해 양자컴퓨팅 컴파일과 관련된 비밀이 밝혀짐으로써 향후 양자컴퓨터의 성능 동작시간이 빨라질 전망이다. 즉 똑같은 연산수행 등 일을 하면서 속도가 빠르다는 것이다.

아울러 연구진은 이번 논문으로 오류보정에 들어가는 부하량도 상당량 줄어들 것으로 내다봤다. 더 적은 큐비트(Qubit)와 게이트를 쓰기 때문이다.

ETRI는 본 기술의 핵심내용을 미국 등에 특허출원중이고 모든 양자컴퓨터에 적용할 수 있기를 바란다고 밝혔다.

ETRI 최병수 양자창의연구실장은“본 연구개발을 통해, 양자 알고리즘을 양자컴퓨터에서 실행할 때 필요한 세부 기술을 선점하고, 추가적으로 양자컴퓨팅 소프트웨어 기술의 유효성을 검증, 양자컴퓨팅을 구체화해 나갈 예정이다”고 말했다.

이번 논문의 제1저자는 ETRI 초연결통신연구초 초연결원천연구본부 양자창의연구실 김태완 박사이고 교신저자는 최병수 실장이다.

본 연구는 과학기술정보통신부 정부출연금사업으로 개발되었다. <보도자료 본문 끝>

[참고자료]

큐비트(qubit) 정보의 최소 표현단위인 비트(bit)를 정의할 때 묵시적으로 정보란 한 순간에 0과 1의 값 중 하나를 갖는 것을 의미한다. 그런데, 비트기술이 발전하면서 나노크기의 정보표현기술에서는 이와 같은 이분법적 정보가 아닌 연속적, 중첩, 얽혀있는 정보의 형태가 나타난다는 것을 알게 되었다. 이러한 나노 크기의 물질에 대한 역학이 양자역학인데, 이는 이미 20세기 초부터 많은 연구가 진행되었다. 따라서, 기존의 비트가 아닌 양자역학적 수준에서 정의되는 양자비트로 퀀텀비트를 의미하는 큐비트(qubit)가 새롭게 정의되었다. 큐비트에 기반한 양자 ICT는 기존 비트에 기반한 ICT에 비해 몇 가지 중요한 ICT적 차이점을 갖는다. 먼저 비트는 한 순간에 0 또는 1 중 하나를 표현해야 하지만, 큐비트는 0과 1의 중간상태 그것도 복소수 형태의 중간상태를 표현할 수 있다. 또한 비트와 달리 복소수 형태로 표현되며, 복소수 연산에서처럼 위상에 의한 보강, 상쇄간섭이 나타난다. 그리고, 다수의 큐비트는 시공간적으로 상관성을 가질 수 있다. 이러한 강점은 기존의 비트기반 병렬연산에 비해서 큐비트기반 병렬연산이 또 다른 차원의 계산능력을 제공하도록 한다. 이러한 요소가 극적으로 반영되는 분야가 양자컴퓨팅이다. 큐비트는 관측을 하는 순간 비트형태로 바뀌며, 모르는 미지의 큐비트는 복사도 불가능하다. 이러한 특성은 정보에 대한 보안성 측면에서 비트가 제공하기 어려운 다른 차원의 보안성을 제공한다. 이와 같이 큐비트는 계산성과 보안성 두 가지 측면에서 비트와는 다른 차원의 강점을 제공한다. ICT라는 것의 핵심이 정보의 처리와 전송, 그리고 이 과정에서의 보안성이라고 볼 때, 양자ICT는 고전ICT가 갖지 못하는 강점을 갖는다.

양자컴퓨팅은 RSA((Rivest, Sharmir, Adleman) 암호 등 대부분의 현대 암호에 큰 위협이 될 것이라는 사실이 알려지면서 큰 관심을 받았다. 이후 하드웨어의 기술이 날로 발전하여 최근에는 수십 큐비트를 생성 및 제어 할 수 있는 단계에 이르렀다.

머지않아 수백, 수천 큐비트에서 수천 개 이상의 양자 연산이 가능한 하드웨어가 개발될 것으로 보인다. 이러한 하드웨어 기술을 바탕으로 최근 범용 양자컴퓨터를 구현하는 연구가 활발해지고 있다. 이러한 양자컴퓨터가 실용화되기 위해서는 하드웨어 기술뿐만 아니라 소프트웨어 기술도 매우 중요하다. 따라서, 이에 따른 핵심 원천 기술 확보가 시급하다.

양자컴퓨팅에서 양자 알고리즘을 실행하기 위한 첫 번째 소프트웨어 핵심 기술은 양자 알고리즘을 양자 기계어로 자동 변환하는 양자 컴파일 기술이다. 이러한 양자 컴파일은 양자컴퓨팅 동작 시간에 직접적으로 영향을 미치는 매우 중요한 요소이다. 따라서, 실제적으로 양자컴퓨터가 빠르게 작동하기 위해서는 양자 컴파일의 고성능화가 필요하다.

이번 ETRI가 개발한 고성능 양자 컴파일 기술은 대부분의 양자 알고리즘에서 중요하게 사용되는 기본적인 양자 연산 Controlled-Rn에 대한 세 가지 효율적인 방법을 포함한다.

첫 번째로는, 전체 게이트 수를 가장 적게 갖는 기본 게이트들로 분해하는 방법이다. 두 번째로는, 실제 물리적인 제약 조건이 반영된 상황에서 가장 효율적인 분해 방법이다. 세 번째로는, 양자컴퓨팅 동작 시간이 최소가 되도록 가장 적은 스텝 수를 갖는 분해 방법이다.

이와함께 연구진은 양자컴퓨팅의 실제적인 상황을 좀 더 고려하여, 큐비트의 배치 및 양자컴퓨터 구조에 따른 최적 매핑 및 제어 기술을 연구하고 있다.

ETRI는 이미 양자컴퓨팅의 계산 성능을 높이기 위한 오류 보정 코드의 최적화 및 시스템 구조 등에 대한 연구로, 다중 코드 방식을 사용하기 위한 효율적인 코드 변환 방식과 대규모 양자컴퓨팅 시스템 합성이 가능하게 하는 합성법 등에 관한 연구를 진행하여 이와 관련한 국내외 특허를 출원 중에 있다.

<참고자료>

고성능 양자 컴파일 기술개발(논문요약)

- 상단: 기본적인 양자 연산 Controlled-Rn에 대하여, 전체 게이트 수를 가장 적게 갖는 기본 게이트들로 분해하는 방법에 대한 회로도

- 중간: 기본적인 양자 연산 Controlled-Rn에 대하여, 실제 물리적인 제약 조건이 반영된 상황에서 가장 효율적인 분해 방법에 대한 회로도

- 하단: 기본적인 양자 연산 Controlled-Rn에 대하여, 양자컴퓨팅 동작시간이 최소가 되도록 가장 적은 스텝 수를 갖는 분해 방법에 대한 회로도