2017 과학기술연감

현재 지능 인터넷을 위한 기술적 방향은 첫째, 높은 신뢰와 실시간성 이슈로 사물인터넷(IoT)가 전 산업으로 확산되면서 산업용 임무 중심 서비스에 실시간 통신이 매우 중요해 지고 있다. 미래 사물인터넷(IoT) 환경 역시 가상공간과 물리공간이 실시간으로 연계되어 자율적으로 제어될 수 있는 환경을 고려하기 때문에 유선네트워크에서의 TSN(Time Sensitive Network)과 마찬가지로 고신뢰 실시간 무선 네트워크는 향후 매우 중요한 기술적 방향이다. 둘째, Massive Connectivity로 2025년이면 300억 개 이상의 디바이스가 연결될 것으로 예측된다. 이와 같이 많은 기기가 무선으로 연결될 때 Massive Connectivity를 지원할 수 있는 LPWAN(Low Power Wide Area Network) 기술이 매우 중요하다. 그리고 무선통신의 전파자원으로 2016년에 이동통신의 주파수 포화율이 80%를 넘었고, ISM 대역간섭은 심각한 상황이다. 이러한 상황에서 새로운 무선통신 자원 확보는 절실하며, 주파수 회수 재배치 등 기존 RF대역과 함께 활용할 수 있는 연구가 필요하다. 모바일 커넥션이 일상화되면서 사용자들의 온라인 서비스 사용이 심화되고 있다. 인터넷 서비스 뿐만 아니라 최근 O2O 서비스를 통해 대부분의 활동을 온라인으로 할 수 있게 되었다. 모바일 검색, 눈 활동과 같은 온라인 사용이력이나 결제정보와 같은 다양한 개인정보가 온라인상에서 저장되고 있다. 현재 전 세계 데이터센터 트래픽은 2015년도에 4.7ZB에 달하였으며, 2020년도에는 약 3배 성장하여 15.3ZB에 이를 것으로 보고 있다(시스코 글로벌 인 덱스, 2016년). 이 중 데이터센터에서 저장･생성･처리되는 내부 트래픽이 77%에 달한다. 데이터센터의 ICT 설비는 컴퓨팅을 위한 서버, 데이터 저장을 위한 스토리지, 연결 네트워크로 구성되는데, 데이터센터의 성능에는 컴퓨팅 용량과 내부 연결 네트워크(DCN, Data Center Network)가 중요한 역할을 한다. 현재 데이터센터 내의 네트워크 구성 방식은 대부분 전자식 패킷 스위칭 방식의 네트워크로 구성되어 있다. 지난 수십 년 간 눈부시게 발전해 온 전자 기반 기술은 여전히 성능이 향상되고 있으나 관련 소자 성능이 물리적 한계에 근접하고 있다. 따라서 계속 전자 기반 스위칭 기술에만 의존해 DCN 용량을 확장해 나가는 것은 설치 및 운용비용 증가, 에너지 소비 증가, 데이터 전달 지연 증가 등의 문제점을 근본적으로 해결하기 어렵다. 이러한 상황에 대한 대안으로 광기반 스위칭 방식을 DCN에 도입하는 방안이 제안되고 있다. 광 스위칭 방식에는 광회선 스위칭(OCS, Operation Control System 이하 ‘OCS’)과 광 패킷 스위칭(OPS, Open Profilling Standard 이하 ‘OPS’) 방식이 있으며, 각각 스위칭 용량 및 스위칭 시간에 있어서 장단점을 가지고 있다. 광 DCN 기술 발전에 대해서는 초기에는 전자 및 광 스위칭 방식의 네트워크가 혼재된 전자･광 하이브리드 네트워크 구조로 도입이 진행되어 궁극적으로는 전광 스위치 기반의 광 네트워크로 전환될 것으로 보는 시각이 일반적이다. 초연결 인프라를 위한 전자식 패킷 스위칭(EPS, Electronic Publishing System) 기술을 대체하는 광 스위칭 기술로 광회선 스위칭(OCS)과 광 패킷 스위칭(OPS) 기술이 있다. OCS는 일부 기술이 상용화되어 있어 도입이 가능하나, OPS는 아직 상용화하기에는 기술 완성도가 떨어져 연구가 더 필요한 실정이다. 양자 정보통신은 양자정보에 기반 하여 초고성능으로 정보를 계상한다. 기존 비트기반 슈퍼컴퓨팅에서 해결하기 어려운 자연현상을 해석하는 복잡한 문제를 양자컴퓨팅을 활용하면 효과적으로 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 가장 많이 연구되는 암호분야에서는 복잡한 함수에 의한 공개키 암호방식이 사용되고 있다. 그러나 비트기반 암호체계는 일정 시간이 지나면 안전성이 위협받을 수 있고, 자연현상을 기존 컴퓨팅 이론으로 정교하고 빠르게 계산하는 것은 거의 불가능하다. 양자컴퓨팅은 전통적인 고성능 컴퓨팅분야, 보안 분야, 계산과학 분야, 최적화 분야 등에서 주로 사용될 것으로 예상된다. 특히, 이러한 문제들은 대부분 과학적, 보안적, 정보 기술적으로 매우 중요한 문제들이며 비트기반 슈퍼컴퓨팅 기술이 쉽게 해결책을 제시하기 어려운 분야이다. 이러한 이유로 현재 주요 국가와 글로벌 IT기업들은 양자컴퓨팅에 대한 연구개발에 박차를 가하고 있다. 양자 정보통신에서는 양자역학적 현상을 갖는 물리적 상태를 정보로 활용한다는 측면에서 양자비트, 혹은 큐비트라 한다. 이러한 정보표현의 변화는 ICT 패러다임의 변화를 의미한다. 한편, 양자역학적 현상에 대한 다양한 기초연구가 활발히 진행되고 있다. MIT와 비엔나 대학 연구팀은 우주에서 오는 별빛을 이용하여 양자역학의 얽힘 상태에 관한 벨 부등식 연구를 수행하였다. 이는 양자역학의 기본적 가정인 원거리 작용에 관한 예측을 증명한 결과이다. 프랑스와 독일의 연구진은 양자역학적으로 정보가 전달될 경우, 고전적 정보보다 더 빨리 전달될 수 있다는 연구결과를 발표하기도 하였다. 또한, 남가주대학의 연구진은 양자컴퓨터의 초기 모델로 D-wave사에서 판매하고 있는 양자어닐링 기계가 온도에 의한 효과 때문에 속도 향상을 보이지 못하는 현상에 대한 연구를 진행하기도 하였다. 그래핀을 비롯한 저차원 물질계에 대한 연구는 위상학적 물질에 대한 연구와 함께 국내외에서 광범위하게 꾸준히 진행되고 있다. 양자컴퓨터를 개발하는 대표적 기업으로는 IBM과 구글을 들 수 있는데, 각각 2017년 초에 향후 초기 상용화에 대한 계획을 발표하였고, 이에 따라 IBM은 기존에 무료로 개방하던 클라우드 양자컴퓨터 서비스인 IBM Q를 12월부터 20-큐비트 규모의 초전도 기반 양자컴퓨터로 업그레이드하면서 유료 서비스로 전환하여 운용하기 시작하였다. IBM의 양자컴퓨터 프로젝트에는 삼성전자를 포함하여 전 세계적으로 10여개의 글로벌 기업들이 파트너로 참여하여 양자컴퓨터의 활용 방향에 대한 연구를 공동으로 수행하고 있다. 가까운 미래에 양자컴퓨터는 신물질 개발, 신약 개발 등의 양자 화학 및 양자 시뮬레이션 분야에 활용될 것으로 기대되며, 중장기적으로는 최적화 문제 및 간단한 양자 알고리듬의 수행 등이 가능할 것으로 기대된다. 마이크로소프트는 양자컴퓨터에 활용될 소프트웨어 개발에 주력하고 있으며, 인텔은 네덜란드 델프트 대학과 양자컴퓨터 개발을 협력하고 있다. 또한, 실리콘밸리를 중심으로 Rigetti, IonQ, PsiQuantum, QCI 등 다수의 양자컴퓨터 개발 스타트업들이 벤처캐피탈의 대규모 투자를 받으며 생겨나고 있다. 앞으로 양자 정보통신이 실현되면 절대보안 수준의 보안키 분배가 가능하고, 정보를 수집하는 센서의 정교함이 높아지고, 정보를 전송하는 통신의 보안성도 높아져서, 언제든지 안심하고 초연결되는 세상이 열릴 것이다. 최근 구글, IBM, MS, 인텔 등에서 경쟁적으로 양자컴퓨팅에 대한 연구개발 결과를 공개하고 있으며, 양자컴퓨터의 계산 성능과 고전컴퓨팅의 차이를 확인하는 실험이 진행되고 있는데 현재는 대략 50 ~ 100 큐빗 수준이다. 양자 정보통신은 큐빗 정확도를 높이고 큐빗 수를 늘려나가 양자컴퓨팅의 규모를 늘리는 것이 현재의 당면 과제이다. 이는 큐빗 수가 늘어날수록 양자조작, 양자 오류 등 구현 복잡도가 크게 증가하기 때문이다. 또한, 대규모 양자컴퓨팅을 위해서는 양자 오류정정부호를 활용 하여 정확성을 높이고 큐빗의 오류율은 특정 임계값을 만족해야한다.