인간이 개발하는 기술은 자연의 작동 방식과 매우 닮아있어, 자연으로부터 아이디어를 얻고 모방하며 기술 개발이 시작된다고 해도 과언이 아니다. 현재 AI 기술의 기반이 되는 신경망 역시 인간의 뇌 구조와 작동 방식에 대한 모방으로부터 시작되었다.

양자역학은 분명히 자연이 근본적으로 작동하는 방식이지만, 우리가 경험하는 일상의 현상과 다른 방식으로 기술된다. 인간이 실제로 보고 느끼는 것으로부터 생겨나는 일상적 직관과 감각적 경험과는 사뭇 이질적이기 때문에, 일반적인 대중에게 양자는 항상 어렵고 난해하게만 느껴지는 ‘과학’의 영역에만 머물러 있었다.

그러나 최근 양자컴퓨터를 개발하는 글로벌 기업 및 스타트업들이 보여준 놀라운 기술적 성과는 더 이상 양자를 ‘과학’의 영역이 아닌 ‘실용적인 기술’의 영역으로 끌어들이는데 충분하다고 평가되고 있다. 양자컴퓨터의 개발은 미시적 세계, 즉 양자의 세계를 완전히 이해하지 못해도 기술로서의 활용이 가능하다는 놀라운 증명이기도 하다. 우리가 사용하는 고전 컴퓨터의 트랜지스터 회로가 어떻게 동작하는지 모르더라도 수많은 사람들이 컴퓨터를 잘 활용할 수 있는 것처럼, 이제 양자역학을 이해하지 못해도 차세대 컴퓨팅이자 복잡한 연산을 위한 자원으로 양자컴퓨터를 활용할 수 있는 단계에 접어들고 있는 것으로 보인다.

현재 인류는 이미 놀라운 컴퓨팅 자원과 기술을 개발하여 활용하고 있다. AI 기술은 다양한 영역에서 활용되고 있는데, 양자컴퓨터의 개발에서도 마찬가지다. 기술적 어려움이 많은 양자컴퓨팅 개발에서 AI의 활용은 여러 가시적인 성과를 거두고 있는데, 이러한 성과는 이제 곧 인류가 양자컴퓨터를 실용적으로 활용할 수 있는 수준에 도달할 것이라는 큰 기대를 불러일으키고 있다. AI는 양자의 세계를 더 잘 이해하고 기술을 개발할 수 있도록 ‘과학’과 ‘실용적인 기술’의 영역을 넘나들며 연구자들에게 도움을 주고 있는 셈이다.

한층 더 흥미로운 점은 AI 기술로 인해 양자컴퓨터 개발이 의미있는 진전을 보이면서, 양자컴퓨터가 실용적인 컴퓨팅 자원으로 실현되었을 때 AI 개발에는 어떤 이점을 제공할 수 있을지에 대한 관심도 증가하고 있다. 현재 AI 기술은 고차원 데이터의 처리와 수많은 학습이 필요한 구조로 연산자원에 대한 수요가 급증한 상황이다. 양자컴퓨터는 고전 컴퓨터 대비 특정 연산에서 기하급수적인 연산우위를 가짐으로써, 인류가 AI를 활용해 풀고자 하는 여러 문제에 대해 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

그러나 양자컴퓨터와 AI의 상호보완적 발전에는 여전히 풀어야 할 기술적 문제와 한계점이 존재한다. 실제 개발되어 활용할 수 있는 양자컴퓨터 하드웨어가 한정적인 상황에서, 아직은 시뮬레이션이나 가능성 탐색 수준에 머물러 있는 영역도 존재하는 것으로 보인다.

그럼에도 불구하고 지금 양자컴퓨터와 AI의 융합은 인류에게 차세대 신기술의 영감을 불러일으키는 것은 분명한 것으로 보인다. 이미 AI 선진국들은 양자 기술에서도 주도권을 확보하기 위해 기술 개발 지원 및 기술 유출 방지 정책을 동시에 시행하고 있다. 우리나라에서도 양자컴퓨팅과 AI 융합기술에 대한 적극적인 지원 정책이 필요한 시점이다.

본 보고서는 ‘AI를 활용한 양자컴퓨팅 기술 개발(AI for Quantum)’과 ‘양자컴퓨터를 활용한 AI 기술 개발(Quantum for AI)’로 나누어, 현재 기술 융합 상황과 앞으로의 기술 개발이 나아가고자 하는 방향성을 살펴보고자 하였다. 실제적인 융합 성과를 내는 AI의 양자컴퓨팅 기술 개발 활용 사례와 양자컴퓨터가 AI 개발에 활용될 가능성을 함께 살펴 봄으로써, 양자컴퓨터와 AI 융합에서의 주요 내용을 짚어보고 정책적 시사점을 제언하고자 한다.

양자컴퓨터와 AI 융합기술은 아직 연구개발 초기 단계지만 기술 파급력이 높을 것으로 예상되며, 따라서 국가적 차원에서의 R&D 지원이 필요할 것으로 보인다. 또한 양자컴퓨팅 산업과 AI 산업에서는 스타트업들이 혁신적인 기술 개발을 선도하고 있기 때문에, 국내 기업들도 시장 조기 선점에 나설 수 있도록 관련 산업 기반을 조성해 주는 것이 매우 중요할 것이다. 더불어 다양한 학문이 융합된 양자컴퓨팅과 AI 분야에서, 융합 인재 양성 및 확보 정책이 필요할 것으로 보인다.

The technologies that humans develop closely resemble the way nature works, and it's no exaggeration to say that technology development begins by borrowing ideas from nature and imitating it. Current AI technology is based on neural networks, which were originally designed to mimic the structure and function of the human brain.

Quantum mechanics is clearly a fundamental aspect of how nature works, but it is described in a manner that differs from the everyday phenomena we experience. Because it is so different from our everyday intuitions and sensory experiences based on what we see and feel, quantum mechanics has always remained in the realm of 'science' for the general public, seeming difficult and esoteric.

However, recent technological breakthroughs by global companies and startups developing quantum computers are considered to be enough to bring quantum computing out of the realm of science and into the realm of "practical technology". The development of quantum computers is a remarkable demonstration that, while we don't need to fully understand the microscopic world of quanta, we can still utilise them as a technology. Just as many people can use computers without knowing how they work, we appear to be entering a phase where quantum computers can be used as the next generation of computing and a resource for complex computations without understanding quantum mechanics.

Humanity has already developed and utilised incredible computing resources and technologies. AI technology is being used in many areas, including the development of quantum computers. The use of AI in the development of quantum computing, which is technically challenging, has yielded a number of tangible results, raising high hopes that humanity will soon reach a point where quantum computers can be put to practical use. AI is helping researchers to better understand the quantum world and develop technologies that can be used in the realm of science and practical technology.

More interestingly, as AI technology has led to meaningful progress in the development of quantum computers, there is also growing interest in how quantum computers could benefit AI development when they are realized as practical computing resources. Current AI technologies require high-dimensional data processing and a lot of training, which puts a huge demand on computational resources. Quantum computers are expected to offer exponential computational advantages over classical computers for certain types of computation, which could enable humans to solve many of the problems that are currently being solved by AI.

However, there are still technical challenges and limitations in the complementary development of quantum computers and AI. Due to the limited availability of quantum computer hardware for development and utilisation, some areas remain in the realm of simulation or exploration.

Nevertheless, it is clear that the convergence of quantum computers and AI will inspire a new generation of technologies for humanity. Countries at the forefront of AI have already recognised quantum technology as a strategic national asset and are implementing policies to support its development and prevent leakage. The time has come for Korea to actively support the convergence of quantum computing and AI.

The report is split into two sections, "AI for Quantum" and "Quantum for AI," to examine the current state of technology convergence and the future direction of technology development. We will highlight key issues in the convergence of quantum computers and AI, as well as suggest policy implications, by examining examples of AI's use of quantum computing technology development to achieve practical convergence, as well as the potential for quantum computers to be used in AI development.

Although the convergence of quantum computers and AI is still in the early stages of research and development, it is expected to have a significant technological impact. Therefore, it is crucial to support R&D at a national level. In addition, since startups are leading the development of innovative technologies in the quantum computing and AI industries, it will be very important to create a relevant industrial base so that domestic companies can take an early lead in the market. Furthermore, given the convergence of various disciplines in the fields of quantum computing and AI, there is a need for policies to encourage and protect convergence talents.