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Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society

Recent Advances and Trends in Hybrid Quantum-Classical Computing

Sangmin Lee

Published Nov 30, 2025• 0 citations

Abstract

양자 컴퓨터의 뛰어난 병렬 연산 능력과 기존 컴퓨터의 정확한 제어 및 최적화 능력을 결합한 고전-양자 하이브리드 컴퓨팅(Hybrid Quantum-Classical Computing, HQCC)은, 아직 완전하지 못한 현재의 양자 컴퓨팅 시대(NISQ)의 기술적 한계에서 새로운 해결책으로 주목받고 있다. 이 논문에서는 HQCC의 핵심 원리 및 시스템이 어떻게 연결되고 작동하는지, 그리고 중요한 알고리즘들과 실제 적용 사례들을 자세히 살펴본다. 특히, 양자 연산 장치(Quantum Process Units, QPU)와 중앙 처리 장치(CPU)가 어떻게 함께 계산을 수행하는지, 그리고 클라우드를 이용한 양자 서비스의 현재 모습을 하드웨어 관점에서 심도 있게 분석한다. 소프트웨어 측면에서는 Qiskit, PennyLane, Cirq와 같은 주요 개발 도구들을 비교하며 설명한다. 또한, 변분 양자 고유값 알고리즘(Variational Quantum EigenSolver, VQE), 양자 근사 최적화 알고리즘(Quantum Approximation Optimization Algorithm, QAOA), 양자 커널 방법과 같은 대표적인 알고리즘들이 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터 사이에서 어떻게 정보를 주고받으며 작동하는지에 대해 살펴본다. 그리고 양자 화학, 최적화, 기계 학습 등 여러 분야에서 HQCC가 어떻게 활용될 수 있는지 구체적인 예를 들어 살펴본다. 결론적으로, 하이브리드 컴퓨팅 방식의 효율성과 자동화 기술을 통해, 우리가 실질적인 양자 컴퓨팅 시대로 더욱 빠르게 다가갈 수 있을 것임을 보여준다.

DOI: 10.5762/kais.2025.26.11.624

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양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.

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양자 컴퓨터의 뛰어난 병렬 연산 능력과 기존 컴퓨터의 정확한 제어 및 최적화 능력을 결합한 고전-양자 하이브리드 컴퓨팅(Hybrid Quantum-Classical Computing, HQCC)은, 아직 완전하지 못한 현재의 양자 컴퓨팅 시대(NISQ)의 기술적 한계에서 새로운 해결책으로 주목받고 있다. 이 논문에서는 HQCC의 핵심 원리 및 시스템이 어떻게 연결되고 작동하는지, 그리고 중요한 알고리즘들과 실제 적용 사례들을 자세히 살펴본다. 특히, 양자 연산 장치(Quantum Process Units, QPU)와 중앙 처리 장치(CPU)가 어떻게 함께 계산을 수행하는지, 그리고 클라우드를 이용한 양자 서비스의 현재 모습을 하드웨어 관점에서 심도 있게 분석한다. 소프트웨어 측면에서는 Qiskit, PennyLane, Cirq와 같은 주요 개발 도구들을 비교하며 설명한다. 또한, 변분 양자 고유값 알고리즘(Variational Quantum EigenSolver, VQE), 양자 근사 최적화 알고리즘(Quantum Approximation Optimization Algorithm, QAOA), 양자 커널 방법과 같은 대표적인 알고리즘들이 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터 사이에서 어떻게 정보를 주고받으며 작동하는지에 대해 살펴본다. 그리고 양자 화학, 최적화, 기계 학습 등 여러 분야에서 HQCC가 어떻게 활용될 수 있는지 구체적인 예를 들어 살펴본다. 결론적으로, 하이브리드 컴퓨팅 방식의 효율성과 자동화 기술을 통해, 우리가 실질적인 양자 컴퓨팅 시대로 더욱 빠르게 다가갈 수 있을 것임을 보여준다.

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본 논문에서는 퍼지 집합의 언어 표현 및 처리 능력과 양자 컴퓨터의 병렬 처리 장점을 결합한 양자 퍼지 추론 방법을 제시한다. 양자 컴퓨터는 중첩 및 얽힘과 같은 양자 역학 원리를 활용하여 고전 컴퓨터에 비해 더 효율적인 병렬 처리를 구현한다. 대규모의 퍼지 규칙에도 빠른 퍼지 추론이 가능하도록 양자 컴퓨터의 병렬 처리 기능을 퍼지 추론에 활용하는 두 가지 방법을 제시한다: 입력 퍼지 값을 전건부 코드에 매핑한 후 규칙 베이스를 검색하는 방법과 입력 퍼지 값을 후건부 퍼지 집합에 직접 매핑하는 방법. 기존 퍼지 추론 및 양자 퍼지추론 방식과의 성능 비교를 통해 제시한 방법을 평가한다.

양자 컴퓨팅과 양자 기술은 암호학과 국방산업 등 다양한 분야에서 기존의 한계를 극복하고 새로운 패러다임을 제공하는 혁신적인 도구로 간주 되고 있다. 이러한 큰 영향력이 기대됨에도 불구하고 양자 컴퓨팅과 양자 기술을 사용할 수 있게 도와주는 양자 코딩에 대한 관심은 상대적으로 적은 것이 사실이다. 최근에는 접근성이 용이한 양자 코딩 플랫폼의 등장으로 실제 양자 컴퓨터를 활용하거나 양자 시뮬레이터를 통해 양자 코드를 작성하고 동작시킬 수 있는 환경이 조성되고 있다. 이에 따라 본 논문은 상용화된 양자 코딩 플랫폼들을 소개하고 큐비트와 양자 게이트에 대해 알아본다. 또, 이를 바탕으로 IBM의 Qiskit을 활용하여 고전 리플 캐리 덧셈(RCA) 알고리즘을 양자 RCA 회로로 구현하는 과정을 상세히 소개한다.

본고에서 우리는 고전컴퓨터를 이용한 양자화학 계산 방법론을 살펴보고, 이것이 어떻게 양자컴퓨터를 이용한 양자계산화학에 적용되는지 알아본다. 특히, 고전-양자 하이브리드 컴퓨팅 방식을 이용하여 NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) 수준의 양자컴퓨터에서도 유용한 양자화학계산에 활용할 수 있을 것으로 기대되는 Variational Quantum Eigensolver (VQE)를 살펴보고, 최신 국내외 연구결과를 소개한다. 또한 최근 양자이득을 보이는데 활용된 가우시안 보존샘플링이 어떻게 양자화학의 분자진동 문제와 연결되는지 살펴봄으로써 고전컴퓨터로 다다를 수 없는 영역에 대한 양자계산화학 탐구가 이미 시작되었음을 보인다.

양자 컴퓨팅은 양자역학적 특성을 이용한 신개념 컴퓨팅을 의미한다. 양자 컴퓨팅과 관련한 연구개발은 크게 활용기술 개발과 구현 기술 개발로 구분되며, 다양한 활용기술과 구현 기술이 제안되고 있다. 현재까지 다양한 구현 기술이 제안되고 있으나, 실제로 비트 컴퓨팅의 한계를 뛰어넘기 위해서는 다양한 기술적 이슈들이 해결되어야 한다. 이 과정에서 양자 컴퓨팅의 성능에 영향을 끼치는 모든 구성 요소들에 대한 기능적, 성능적 요구 수준을 명확히 분석하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라, 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술 연구개발도 최근 급격한 관심을 받고 있다. 관련하여 이미 다수의 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술이 개발되었으나, 양자 컴퓨팅 시스템의 모든 구성요소 중 일부분을 주로 다루고 있거나 혹은 분석 가능 수준이 제한되는 한계점이 지적되고 있다. 이에 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 체계적으로 비교 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 이를 달성하기 위하여 최초로 양자 컴퓨팅 풀 스택 구조 관점에서 분석하는 기술을 적용한다. 다음으로 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술들을 양자 컴퓨팅 계산 성능 지표 범위(계산 시간 등)와 도출 능력(분석 시간 등) 측면에서 체계적으로 비교하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 양자 컴퓨팅 성능 평가 기술은 아직까지는 풀 스택 구조를 모두 분석하지 못하고 있으며, 분석 기술 측면에서 해결해야 할 기술적 이슈가 많음을 확인하였다. 이를 통해 최종적으로 향후 지향해야 하는 연구개발 방향성을 제시한다.

양자암호 기술은 기업 기밀이나 국가적 정보를 보호하기 위해 필수적인 역할을 수행하는 기술로 주목받고 있다. 만약 양자 컴퓨터의 발전으로 기존의 암호화 방식이 무효화 된다면, 개인정보 보호를 위해 양자암호 기술이 유일한 대안으로 부상할 가능성이 크다. 이러한 이유로, 해당 기술은 국가적으로도 매우 중요한 사안으로 인식되고 있다. 본 논문에서는 국내 최초로 양자암호에 대한 국내 연구보고서를 대상으로 키워드 네트워크 분석을 하였고 이에 대한 시사점과 향후 연구방향을 제시함으로써 학술적 가치를 지닌다. 빈도분석, 중심성분석, CONCOR분석을 통해 도출된 주요 키워드와 주요 도전과제, 양자암호 기술의 미래에 대해서는 다음과 같이 요약할 수 있다. 첫째, 클라우드 및 블록체인 보안 강화를 위한 양자암호 알고리즘의 경량화 및 안전성 확보, 둘째, 양자암호 통신 시스템의 기술적 구현을 위한 하드웨어 개발과 표준화, 셋째, 광자기반 양자암호 통신에서 보안성과 해킹 방지를 위한 물리적 인프라 강화, 넷째, 국가 인프라와 에너지 관리 시스템의 보안을 위한 양자암호 기술 적용 및 대규모 데이터 처리이다.