경제와 국가 안보에 있어, 현재 우리가 사용하고 있는 디지털 컴퓨터의 영향을 75년 전 실험실에서 최초로 컴퓨터가 등장했을 때는 예측할 수 없었다. 마찬가지로 양자 컴퓨팅이 미래에 경제와 국가 안보에 어떤 결과를 가져올지 현재로서는 예측하기 어렵다. 그러나 이 새로운 기술을 지배하기 위한 전쟁은 이미 전 세계적으로 민간 및 공공 자원을 흡수하고 있다. 왜 이것이 중요한 것일까? 어떤 위협과 기회를 만들 것인가? 승리를 보장받으려면 무엇을 해야 하는가?
양자 컴퓨팅은 현재는 상상할 수 없는 가능성을 우리가 실현하도록 돕는 새로운 도구이면서, 진화와 시너지 효과를 동시에 발생시킬 것으로 보인다.
따라서 양자 컴퓨팅은 비록 그 잠재력의 실체가 정확하게 정의되진 않더라도, 국가 이익 과 안보를 증진시킬 수 있는 매우 예외적인 거대한 잠재력을 지닌 과학으로 간주되어야 한다. 이러한 이유로 많은 국가에서 양자 생태계를 개발·구축하기 위해 노력하고 있으며, 이를 통해 사회, 경제, 정부에 엄청난 기술 발전을 가져다 줄 것으로 보인다.
이러한 초기 개발 단계에서도 우리는 양자 컴퓨터의 일부 잠재적 응용 프로그램이 특히 암호화 기술과 관련하여 국가 안보에 명백하고 즉각적인 위험을 제기한다는 것을 알고 있다. 현재 전 세계 정부가 가장 민감한 정보와 프로세스에 사용하는 최고 수준의 암호화는 기존 컴퓨터로는 기능적으로 침투가 불가능하다. 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터는 세계에서 가장 발전된 암호화 시스템을 해독하는 데 10억 년 이상 걸린다. 그러나 양자 컴퓨터는 일단 개발 되면 동일한 암호화 체계를 몇 초 만에 해독할 수 있다.
정부가 대체 암호화 장치를 찾기 전에 다른 정부가 그러한 양자 컴퓨터를 구축했다면 양자 컴퓨팅의 지원을 받는 정부는 치명적인 ‘양자 기습 공격’으로 다른 국가의 정보 시스템에 접근할 수 있다.
양자 암호화가 가져올 상당한 위험과 이점 외에도 양자 컴퓨팅은 다른 중요한 국가 안보 애플리케이션도 예고한다. 미군은 현재 GPS 기술을 뛰어 넘는 보다 정확한 탐색 기능을 제공하기 위해 ‘양자 감지’를 사용하는 방법을 이미 조사하고 있다. 유사한 기술을 사용하여 스텔스 항공기의 활동과 적의 화학 또는 생물학적 공격을 더 잘 탐지할 수 있다. 그리고 이러한 군사 작전을 감추는 훨씬 더 정교한 수단을 통해 양자 지원 기술은 미군이나 적에게 결정적인 전략적 우위를 제공할 수 있다.
양자 컴퓨팅에 있어 현재 중요한 점은 개발 속도에 있다. 이는 기술의 경쟁 이점을 얻는 데 있어 특히 중요하다. 다만 양자 우위를 향한 경쟁에서 뚜렷한 종착점은 없다. 따라서 진행 상황을 측정하기도 어렵다. 그리고 양자 컴퓨팅은 다양한 잠재적 형태와 응용성을 보유하고 있기 때문에 다양한 주체들이 이 분야를 발전시키기 위해 똑같이 다양한 접근 방식을 취하고 있다.
1940년대에 핵폭탄을 만들거나 1960년대에 달에 도달한다는 비교적 명확하고 단일한 목표와 달리, 양자 컴퓨팅에서 우위를 점하기 위한 과학자들의 노력은 완전한 생태계를 육성해야 할 만큼 충분히 분산되어 있다. 미국의 국가 안보 및 기술 연계의 많은 문제와 마찬가지로 구글, IBM과 같은 민간 기업들이 양자 개발의 최전선에 있으며 대학은 기초 연구에서 핵심적 역할을 수행하고 있다.
최근까지 양자 컴퓨터 자체의 발전은 주로 양자 컴퓨터가 사용할 수 있는 ‘일관된 큐비트’의 수로 측정되었다. 큐비트는 복잡한 역학에 있어 미세한 교란에 매우 민감한 것으로, 큐비트의 섬세한 값을 1 또는 0으로 조기에 붕괴시켜 잘못된 계산을 초래할 수 있다. 따라서 안정적으로 작동할 수 있을 만큼 안정적인 일관적 큐비트의 수야 말로 양자 컴퓨터의 발전에 대한 핵심이다. 그럼에도 불구하고 양자 컴퓨터의 상대적 성능을 결정하는 데에는 다음과 같은 몇 가지 다른 요소도 매우 중요하다.
- 큐비트가 양자 일관성을 잃기 전에 완료할 수 있는 작업의 수
- 큐비트의 상호 연결성
- 회로 컴파일러 효율성
따라서 IBM은 이러한 요소를 단일 숫자로 끌어들이는 ‘양자 가치’ 매트릭스를 만들었으며, 이는 현재 일선의 많은 양자 컴퓨터의 전체 성능을 가장 정확하게 측정하는 것으로 인정받고 있다.
양자 컴퓨터 성능을 평가하기 위한 다층적 접근 방식은 부분적으로 기업이 양자 컴퓨터를 구축하려 시도하는 수많은 독특한 방식 때문에 반드시 필요한 것이다. 그리고 양자 컴퓨터 간의 주요 차이점 중 하나는 구성 접근 방식에 관한 것이다. 가장 유망한 것으로 보이는 두 가지 주요 접근 방식은 계산 구조가 다른 ‘단열 양자 컴퓨터(adiabatic quantum computer)’와 ‘게이트 모델 양자 컴퓨터(gate model quantum computer)’이다.
단열 양자 컴퓨터는 구축이 더 쉽지만 기능이 축소된다. 기업들은 부분적으로 더 발전된 다 기능 양자 컴퓨터를 개발하는 데 중요할 것이라는 믿음에 기초하여 단열 양자 컴퓨터를 구축하고 있다. 이와 대조적으로 게이트 모델 양자 컴퓨터는 더 복잡하고 보다 범용적인 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 기존 컴퓨터의 작동 구조를 모방한다.
그리고 이러한 계산 구조 너머에는 다양한 큐비트와 관련된 중요한 차별화 요소가 있다.
구글, 인텔, IBM, 리게티(Rigetti)는 모두 초전도 큐비트를 사용한다. 이 큐비트는 작동 온도 가 절대 0도를 약간 넘고 자기 코일을 사용하여 데이터를 읽고 쓴다. 허니웰(Honeywell)과 아이온큐(IonQ)는 이테르븀 동위원소의 이온을 조작하는 데 기반을 둔 갇힌 이온 큐비트를 사용하는 데 앞장서고 있다. 한편, 광자 큐비트는 제너두(Xanadu), Psi 퀀텀(Psi Quantum)과 같은 중국의 선도적인 양자 개발기업과 신생 기업이 선호하는 것이다. 이들은 데이터를 인코딩하기 위해 광자 빛 입자를 사용한다.
오늘날에도 큐비트 구성의 어떤 방법이 가장 효과적인지 결정된 바는 없다. 각 방법은 다른 문제들 중에서도 작동 온도, 큐비트의 안정성과 확장성 면에서 각기 강점과 약점을 갖고 있기 때문이다.
엔지니어가 양자 경쟁에서 이기기 위해 노력하는 두 가지 핵심 성능 벤치마크를 종종 ‘양자 우위(quantum supremacy)’ 그리고 ‘양자 이점(quantum advantage)’이라고 한다. 이 용어의 정의는 논쟁의 여지가 있고 용어 자체가 때때로 교환되거나 상호 교차하는 면이 있지만, 양자 컴퓨터가 생각할 수 있는 기존 컴퓨터의 성능을 능가할 수 있는 지점 또는 양자 컴퓨터가 수행할 수 있는 지점을 광범위하게 나타내는 데 있어 기존 컴퓨터에서 수행할 수 없는 것들을 의미하는 것이다.
이에 따라 기업, 과학자, 정부는 모두 향후 수 년 동안 예상되는 양자 컴퓨팅 기능의 기하급수적 성장이라는 매우 중요한 시기를 대비하고 있다. 그리고 우리는 그 시대가 가까웠다는 신호를 보기 시작했다.
구글은 2019년 10월 23일 시카모어 (Sycamore) 양자 컴퓨터를 사용하여 세계에서 가장 빠른 컴퓨터가 약 1만 년이 걸렸을 계산을 200초 만에 수행하여 양자 우위를 달성했다고 발표했다. 언론에 초도 보도가 나간 지 5주 만의 일이었다. 그리고 2020년 12월, 중국의 과학기술대학(University of Science and Technology)의 지우장(Jiuzhang)이라는 양자 컴퓨터는 구글의 시카모어보다 약 100억 배 빠른 계산을 수행했다고 한다.
이러한 성과가 양자 컴퓨팅 개발의 상당한 진전을 나타내는 반면, 다른 엔지니어는 여러 가지 이유로 양자 우위에 대한 두 가지 주장에 대해 이의를 제기했다. 이 두 기계는 여전히 상당한 범위의 실제 문제에 대한 적용 가능성을 입증하지는 못하고 있기 때문이다.
마찬가지로 허니웰의 시스템 HI(System HI) 양자 컴퓨터와 같은 기계가 이미 상업적 목적으로 사용되고 있지만 양자 컴퓨터의 국가 안보 적용을 위한 실용적 경쟁은 거의 시작되지 않았다.
전 세계 정부는 향후 수 년 동안 양자 연구 및 개발에 전념하는 대규모 공공 자금 지원 프로젝트를 통해 약 225억 달러를 지원하기로 약속했다. 10억 달러 이상을 약속한 정부는 인도 (10억 달러), 영국(13억 달러), 미국(13억 달러), 프랑스(22억 달러), 독일(31억 달러), 중국(예산 100억 달러)이고, 호주, 캐나다, 이스라엘, 일본, 네덜란드, 러시아, 싱가포르, 한국, 대만도 유사한 목적에 공개적으로 수억 달러를 기부했다. 유럽 퀀텀 플래그십(Quantum Flagship) 프로젝트에는 11억 달러가 승인되었다. 이 규모는 대규모 중앙 정부 자금 지원 프로젝트를 반영하지만 합산될 수 있는 또 다른 소규모 임시 프로젝트는 포함하지 않은 것이다. 예를 들어, 미국은 국가 양자 이니셔티브(National Quantum Initiative, NQI)에 따라 약 13억 달러가 넘는 수많은 프로젝트를 진행 중이다.
그럼에도 불구하고 중국 정부 예산이 국가 안보 이익을 위한 가장 중요한 신기술 중 하나에 국제 공공 지출의 약 44%를 차지하고 있는 점은 세계가 우려해야 할 사항이기도 하다. 그리고 중국의 지우장 양자 컴퓨터는 기능이 매우 제한적이지만, 중국이 양자 개발에서 상당한 진전을 이루고 있음을 시사한다. 중국의 대학과 기업은 양자 기술에 대한 특허 출원 속도를 꾸준히 높이고 있으며, 이미 해당 분야에서 미국이 출원한 총 특허 수의 두 배이다. 특히 양자 통신과 암호화 분야에서 중국의 특허 출원은 미국보다 훨씬 더 많고, 2018년 중국은 미국, 일본, 한국, 유럽연합(EU)을 합친 것보다 더 많은 양자 특허를 출원했다.
더 중요한 것은 중국의 야망이 분명하다는 것이다. 선도적인 양자 과학자 지안웨이 팬 (Jian-Wei Pan)은 “현대 정보 과학에서 중국은 학습자이자 추종자였다. 그러나 이제 양자 기술을 통해 중국이 최선을 다하면, 중국은 주요 플레이어 중 하나가 될 수 있다”라고 말하고 있다.
양자 전쟁이 현재 세계의 지정학적 강대국들 사이에서 벌어지고 있는 유일한 기술 전쟁은 아니다. 오늘날 인공지능을 지배하기 위한 전쟁과 관련하여 미국은 확고한 위치에 있다. 중국은 향후 10∼20년 동안 경제 성장을 지배할 기술인 이 인공지능 전쟁에서 승리하는 데 필요한 다면적 자원이 부족한 형편이다.
그럼에도 중국의 양자 과학 발전은 미래의 군사 및 전략적 균형에 영향을 미칠 가능성이 있으며, 아마도 전통적인 군사 기술의 이점을 뛰어넘을 수도 있다. 이것이 언제 실현될지 예측 하기는 어렵지만, 양자 기술은 미국 군사력의 핵심 기둥을 ‘상쇄’할 수 있으며, 잠재적으로 미국 모델을 뒷받침하는 오늘날의 정보 중심 전쟁과 관련된 중요한 기술적 이점을 훼손할 수 있는 것도 사실이다.
다행히 서구에서는 민간 기업들이 양자 컴퓨팅 연구 개발을 주도하고 있다. 미국에서는 구글, 허니웰, 휴스 리서치(Hughes Research), IBM, 인텔, 록히드 마틴(Lockheed Martin), 마이크로소프트, 노스롭 그루만(Northrop Grumman)을 위시하여 소수의 양자 스타트업들이 미국 대학과 협력하여 양자 컴퓨팅 혁명의 최전선에 서 있다. 퀀텀 밸리 인베스트먼트(Quantum Valley Investments)와 퀀텀 웨이브(Quantum Wave)와 같은 퀀텀 전용 벤처 캐피탈 펀드는 유망 스타트업에 재정을 투입하고 있으며, 그 중 일부는 고급 양자 컴퓨팅 기능을 구축하기 위한 경쟁에서 주요 기업을 뛰어넘는 야심찬 목표를 가지고 있다. 또한 캐나다, 호주 및 영국과 같은 미국 동맹국도 양자 컴퓨팅 분야에서 잠재적으로 영향력이 큰 많은 신생 기업들을 자랑하고 있다.
중국에서는 거대 기술 기업 알리바바(Alibaba), 바이두(Baidu), 텐센트(Tencent)가 처음에 양자 컴퓨팅 개발에 느리게 진출한 후, 이 분야에서 성과를 내면서 이익을 얻고 있다. 물론 정부 지원 벤처 캐피탈의 지원을 받는 중국 스타트업들도 경쟁력이 있다.
결론은 무엇인가?
양자 컴퓨팅은 전 세계 사회에 영향력을 미칠 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 그리고 그것은 결정적인 돌파구의 직전에 있는 것 같다. 세계가 양자 우위를 향한 더욱 노골적인 경쟁에 돌입함에 따라 국가 안보 측면에서, 특히 이 분야를 주도하려는 중국의 총체적인 노력에 비추어 볼 때 위험 수위는 점차적으로 더 높아지고 있다. 미국을 비롯한 전 세계는 이 중요한 경쟁에서 승리할 수 있지만, 현재의 경쟁을 더 진지하게 받아들이고 경쟁 우위를 구축하는 데 노력을 더 기울여야 한다.
이러한 추세를 고려하여 우리는 다음과 같은 예측을 내려 볼 수 있다.
첫째, 양자 개발의 빠른 속도를 감안할 때 어떤 기업이라도 양자 컴퓨팅에서 판도를 바꾸는 혁신을 달성하는 데 결정적 역할을 수행할 수 있다.
미국 민간 부문은 중국 및 기타 경쟁 국가에 비해 양자 연구 및 개발에서 상당한 우위를 유지하고 있다. 양자 컴퓨팅 민간 부문에서 미국의 강점은 중국의 국가 중심적인 모델에 비해 중요한 이점이 있다. 특히 민간 자금을 통해 상당한 투자를 유치할 수 있는 능력과 시장의 힘을 활용하는 민첩성에서 그렇다.
둘째, 미국은 민간 부문의 이점을 활용하여 양자 컴퓨팅을 국가 안보 차원에서 선두에 놓을 경우 이 전쟁에서 최후의 승자가 될 가능성이 높다.
미국의 강력한 민간 양자 부문은 기회를 매우 빠르게 포착할 수 있지만 그 혁신은 일반적으로 국가 안보 문제보다 상업적 문제를 지향하는 반면, 중국의 국가 주도 모델은 항상 국가 이익에 대한 서비스를 최우선으로 한다. 게다가, 혁신적인 미국 기업의 다국적 성향은 보안 문제를 야기할 수 있다. 미국의 주요 양자 경쟁자가 첨단 기술과 관련된 지적 재산권 도용으로 악명 높기 때문에 이는 큰 문제로 대두될 수 있다. 이는 양자 컴퓨팅과 관련된 소위 ‘블랙 프로젝트’가 상업에서 국가 안보 프로젝트로 정보의 방향 전환을 시행해야 함을 의미한다.
셋째, 미국 정부와 더 성숙한 민간 기업은 중국이 가지고 있지 않은 방법과 관행을 활용할 것이다.
양자 컴퓨팅에 대한 미국 정부 프로그램은 아직 중국과 같은 규모는 아니지만 미국 정부는 수년 동안 이 분야에 참여해 왔다. 미국 국방부는 수십 년 동안 양자 연구에 투자해 왔으며, CIA, NASA, 에너지부와 같은 기관은 모두 2010년대 중반부터 양자 기술과 관련된 민간 부문과 파트너십을 유지해 왔다. 미국 국립 표준 기술 연구소(National Institute for Standards and Technology, NIST)는 양자 관련 암호화 혼란에 대비하여 양자 해킹 위험을 대비하는 방법으로 정부 시스템을 양자 내성 보안 플랫폼으로 전환하기 위해 2016년부터 노력하고 있다. 그리고 2018년에는 도널드 트럼프 행정부가 양자 정보 과학을 위한 국가 전략 개요를 발표한 후 양자 컴퓨팅에 대한 전략적 우선순위로서의 미국 정부의 초점이 크게 높아졌다. 이는 5년에 걸쳐 12억 7천 5백만 달러를 들여 에너지부, 국립과학재단 및 국립 표준기술연구소가 지휘하는 여러 양자 연구 센터를 설립하는 것이다. 국가 양자 이니셔티브는 연구 센터에 자금을 할당하고, 학생들의 양자 개발 참여를 장려하기 위해 국가 Q-12 교육 파트너십에 대한 작업을 시작했으며, 양자 개발의 주요 기업 및 기타 이해 관계자로 구성된 양자 경제 개발 컨소시엄을 소집했다.
국가 양자 이니셔티브는 또한 미국의 양자 전략에 대한 커뮤니티들의 의견을 모은 첫 번째 양자 프론티어 보고서를 발표했고, 일본과 양자 협력 협정 서명을 포함하여 같은 생각을 가진 파트너들과 양자 개발 조정 작업을 시작했다. 이러한 노력과 함께 미군은 양자 컴퓨팅을 위한 생산적 군사 응용 프로그램을 추진하기 위해 양자 컴퓨팅 연구 기관에 계속적으로 자금을 지원하고 협력하고 있다.
넷째, 미국은 양자 지배 전쟁에서 승리하기 위해 다음과 같은 6단계를 밟을 것이다.
1) 미 의회는 국방부 장관과 국가정보국장에게 양자 컴퓨팅 또는 양자 과학에 대한 모든 미국 정부 계획에 대한 포괄적 보고를 포함하여 미국의 양자 안보 상태에 대한 연례 공동 평가를 수행하도록 명령할 것이다. 하원과 상원 군사 위원회와 정보 선별 위원회도 국가 양자 보안 상태에 대한 연례 청문회를 열 가능성이 있다.
2) 백악관의 국가 양자 조정 사무소, 국방부 장관, 국가 정보국장은 양자 컴퓨팅에서 미국의 우위는 비협상 영역임을 인식하고, 정기적으로 일관된 미국의 이점을 보장하기 위해 달성 가능한 계획을 수립하는 프로세스를 진행할 것이다.
3) 국립 표준 기술 연구소는 미국 정부가 사용할 새로운 양자 내성 암호화 표준의 출시일 정을 결정할 것이다. 이 프로그램의 잠정적 일정은 2034년 이상까지 확장되지만, 연구소는 양자 기능의 급속한 발전이 정부 보안을 앞지르지 않도록 하기 위해 정부가 더 고급 암호화 옵션으로 전환하는 것을 가속화하기 위해 전력을 다할 것이다.
4) 국가 양자 이니셔티브와 기타 관련 사무소는 양자 컴퓨팅의 민간 부문 및 학계 연구원과의 관계를 계속 심화하여 활동의 지정학적 중요성을 이해하고 상호 유익한 협력 영역을 찾도록 돕게 될 것이다.
5) 미국은 중국의 지속적인 기업 스파이 활동에 대해 국내외 지식재산 규범을 적극 강화할 것이다. 이는 미국 내 혹은 국제 IP 도난에 대한 보다 엄격한 특허 보호를 수반함을 의미한다.
6) 미국은 중국의 다면적 접근을 저지하기 위한 국제 결의를 촉진할 것이다. 중국의 양자 개발의 진보가 위협적이라고 인식하는 국가들과 함께 미국은 적극적인 협력을 추진할 것이다. 양자 컴퓨팅은 인공지능, 5G와 마찬 가지로 글로벌 파트너십을 통해 기술 강국들의 동맹 의제에 추가될 것이다. 이러한 구조화된 국제 협력은 보다 평화롭고 번영하는 양자라는 미래를 구축하는 데 큰 도움이 될 것이다.
Reference:
1. Heritage Foundation. February 5, 2019. Klon Kitchen. Quantum Science and National Security: A Primer for Policymakers.
14. US Army. March 16, 2021. US Army DEVCOM Army Research Laboratory Public Affairs. Army, Air Force Fund Research to Support Multi-Domain Operations Superiority.
The full impact of conventional digital computers on governments, economies, and national security interests could not have been foreseen when the first machines appeared in labs 75 years ago. In much the same way, quantum computing's full ramifications are now difficult to predict. However, the struggle to dominate this emerging technology is already attracting private and public resources around the world. Why is this competition so important? What threats and opportunities will it create? And how can the United States ensure that it wins? We’ll show you.
The full impact of conventional digital computers on governments, economies, and national security interests could not have been foreseen when the first machines appeared in labs 75 years ago. In much the same way, quantum computing's full ramifications are difficult to predict. Why? Because quantum computing's capabilities will be similarly evolutionary and synergistic, creating new tools that will work together to help us realize currently unimaginable possibilities.
Therefore, quantum computing should be considered a science with exceptional general potential for advancing national interests, even if the substance of that potential remains largely undefined. For this reason, many nations are striving to develop quantum ecosystems, which will enable them to deliver a great wave of technological advancement for their societies, economies, and governments.
Even now, at this early stage of development, we recognize that some potential applications of quantum computers pose obvious and immediate risks for national security, particularly as they relate to encryption technologies. At this moment, the highest levels of encryption used by governments around the world for their most sensitive information and processes are functionally impenetrable by conventional computers. For example, today’s fastest supercomputers would take more than a billion years to crack the world's most advanced encryption systems. However, based on what is already known, the right quantum computer, once developed, could crack the same encryption schemes in seconds.
Conceivably, if a government built one such quantum computer before alternative encryption arrangements could be found by other governments, the quantum-enabled government could access other nations' information systems in a catastrophic "quantum surprise attack." The specter of a quantum surprise, or various shades of it, gives new urgency to seeking quantum superiority, beyond the more general competitive benefits of controlling one of the world's most advanced computing technologies.
Aside from quantum encryption's considerable risks and benefits, quantum computing promises other important national security applications which are worth mentioning. The U.S. military is already looking into methods of using "quantum sensing" to provide more precise navigation capabilities to its forces, especially in applications where GPS technology is not reliable. Similar technologies could be used to better detect the activities of stealth aircraft as well as a foreign adversary’s use of chemical or biological agents. With ever more sophisticated means of hiding such operations, quantum-enabled technologies could provide a decisive strategic edge to American forces or to their adversaries. And, as with all the potential national security benefits of quantum computing, speed in development is crucial to reaping the competitive benefits of quantum technology
Notably, in the race toward quantum superiority, there is no clear finish line. Progress is therefore difficult to measure. And because quantum computing has such diverse potential forms and applications, various entities are taking an equally diverse range of approaches to advancing the field. Unlike the comparatively clear, singular goals of creating a nuclear bomb in the 1940s or reaching the moon in the 1960s, the task before scientists working to gain an edge in quantum computing is diffuse enough to require cultivating a full ecosystem of independent actors. As with many of the issues at the nexus of national security and technology in the U.S., private companies such as Google and IBM are at the forefront of quantum developments, with universities playing a key role in fundamental research. And while absolute failure in the form of experiencing a quantum surprise attack from an adversary represents one clear negative outcome, the full spectrum of outcomes is difficult to precisely discern.
Until recently, progress in terms of quantum computers themselves was primarily measured in terms of the number of "coherent qubits" that a quantum computer could use. Qubits are extremely sensitive instruments whose complex dynamics are highly susceptible to minute disturbances, which prematurely collapse the delicate value of the qubit into a one or zero, resulting in erroneous calculations. As such, the number of coherent qubits that are stable enough to operate reliably represents a key benchmark for the progress of quantum computers.
Nonetheless, several other factors are also highly important in determining a quantum computer's relative power, such as
- the number of operations a qubit can complete before losing its quantum coherence,
- how the qubits are interconnected, and
- their “circuit compiler efficiency.”
Accordingly, IBM has created a "quantum value" metric that draws these factors into a single number, now accepted by many in the field as the most accurate measure of a quantum computer's overall power.
A multilayered approach to assessing a quantum computer power is necessary partly due to the many distinctive ways in which companies are attempting to build quantum computers.
One major distinction between quantum computers concerns approaches to construction. The two leading approaches that appear to hold the most promise are adiabatic quantum computers and gate model quantum computers, which differ in their computational structures.
Adiabatic quantum computers are easier to build but narrow in their functionality. Companies are building adiabatic quantum computers partly based on the belief that they will be important in developing more advanced, multifunction quantum computers.
Gate model quantum computers, by contrast, are more complex and mimic the operational structure of conventional computers in hopes of developing a more general-purpose quantum computer.
Beyond computational structure lies an equally important differentiator which relates to the varieties of qubits being used.
Google, Intel, IBM, and Rigetti all use superconducting qubits, which require operating temperatures just above absolute zero and use magnetic coils to read and write data.
Honeywell and IonQ lead in using trapped-ion qubits predicated on manipulating the ions of an isotope of ytterbium.
Meanwhile, photonic qubits are favored by China's leading quantum developers and startups such as Xanadu and Psi Quantum. These use photon light particles to encode data.
Today, the jury is still out as to which method of qubit construction will prove most effective, since each method has strengths and weaknesses in operating temperature, qubit stability, and scalability, among other challenges.
Two key performance benchmarks that engineer strive to beat in the quantum race are often referred to as "quantum supremacy" and "quantum advantage." The definitions of these terms are contested (and the terms themselves are sometimes swapped or treated interchangeably), but they broadly refer to the point at which a quantum computer can outperform the capabilities of any conceivable conventional computers or the point at which quantum computers can perform real-world tasks which are impossible to perform on conventional computers.
As we near these benchmarks, companies, scientists, and governments are all gearing up for a highly consequential period of exponential growth in quantum computing capabilities expected in the next few years. And we’re beginning to see signs that that era is near.
Notably, Google announced having achieved quantum supremacy on October 23, 2019, (five weeks after an early leak of the achievement hit the press) using its Sycamore quantum computer to perform a calculation in 200 seconds that would have taken the world's fastest computer (at the time) about 10,000 years. In December 2020, a quantum computer called Jiuzhang at China's University of Science and Technology purportedly performed a calculation 10 billion times faster than Google's Sycamore.
While these purported achievements represent significant progress in quantum computing development, engineers elsewhere have contested both claims to quantum supremacy for many reasons, and both machines are still far from demonstrating applicability to a significant range of real-world problems.
Similarly, though machines such as Honeywell's System HI quantum computers are already being used for commercial purposes, the race to address practical national security applications of quantum computers has barely begun. That said, companies, scientists and governments are all gearing up for a highly consequential period of exponential growth in quantum computers' capabilities in the next few years.
In fact, over just the past two years, there has been a profusion of research on, and attention to, quantum computing development.
Governments around the world have pledged an estimated $22.5 billion via large public funding projects devoted to quantum research and development in the coming years. The governments that have pledged one billion or more include India ($1 billion), the United Kingdom ($1.3 billion), the US ($1.3 billion), France ($2.2 billion), Germany ($3.1 billion), and China (with funding estimated at $10 billion). Australia, Canada, Israel, Japan, the Netherlands, Russia, Singapore, South Korea, and Taiwan have also publicly dedicated hundreds of millions of dollars to similar ends, while the European Quantum Flagship project has been granted $1.1 billion. These numbers reflect large-scale central government funding projects, but do not include smaller ad hoc government projects, which can add up. The U.S., for instance, has numerous ongoing projects that fall outside the nearly $1.3 billion pledged under the National Quantum Initiative.
Nonetheless, the fact that China's governmental budget purportedly accounts for about 44 percent of total international public spending by national governments on one of the most consequential new technologies for national security interests should be of concern to the rest of the world. And although its Jiuzhang quantum computer has highly limited capabilities, its success suggests the country is making considerable progress in quantum development. Meanwhile, the country's universities and companies are steadily increasing their pace of patent filings in quantum technologies, having already doubled the total number of patents filed by the United States in the sector. In quantum communication and cryptography specifically, China's patent output dwarfs that of the U.S., and in 2018, China filed more quantum patents than did the U.S., Japan, Korea, and the EU combined.
More importantly, China's ambitions are clear. As leading quantum scientist Jian-Wei Pan explained, "With modern information science, China has been a learner and a follower. ..Now, with quantum technology, if we “try our best” we can be one of the main players." But, as Elsa B. Kania and John K. Costello state in their 2018 report for the Center for a New American Security, the national security implications of a world in which China pulls ahead in quantum technology are frightening.
This is not the only technology battle currently raging between the world’s geopolitical powerhouses. As explained in the July 2020 issue of Trends, the United States is firmly in the driver’s seat when it comes to today’s struggle for dominance in Artificial Intelligence. China lacks the multifaceted resources needed to win the battle over AI, which is the technology which will dominate economic growth over the next 10-to-20 years.
However, the competitive reality in the embryonic world of quantum computing is much less clear. And China's advances in quantum science have the potential to impact the future military and strategic balance, perhaps even leapfrogging the traditional leaders' military-technological advantages. Although it is difficult to predict the trajectories and timeframes for their realization, dual-use quantum technologies could "offset" key pillars of U.S. military power, potentially undermining critical technological advantages associated with today's information-centric warfare which underpins the U.S. model.
Fortunately for the West, private companies are leading the way in quantum computing research and development. On the U.S. side, Google, Honeywell, Hughes Research, IBM, Intel, Lockheed Martin, Microsoft, Northrop Grumman, and a handful of quantum startups are at the forefront of much of the quantum computing revolution, often in partnership with American universities. Quantum specific venture capital funds such as Quantum Valley Investments and Quantum Wave have been pouring financial support into promising startups, some of which have ambitious goals of leapfrogging the major companies in the race to build advanced quantum computing capabilities. Furthermore, American allies such as Canada, Australia, and the United Kingdom also boast many potentially high-impact startups in quantum computing.
In China, tech giants Alibaba, Baidu, and Tencent have been making gains in the field after initially being slow to break into quantum computing. And of course, Chinese startups, supported by government-backed VC firms, are also competitive.
What’s the bottom line?
Quantum computing holds tremendous potential for societies around the world. And it seems to be on the brink of immensely consequential breakthroughs. As the world enters a more overt race toward quantum superiority, the stakes are high in terms of national security, particularly in light of Beijing's concerted efforts to lead in this field. The United States can certainly win this crucial race, but it will require taking the competition seriously and building on America’s competitive advantages.
Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.
First, given quantum development's rapid pace, any company could prove decisive in achieving game-changing breakthroughs in quantum computing. Generally speaking, the American private sector retains a considerable lead in quantum research and development compared with China and other competitive nations. America's strength in the quantum computing private sector has important advantages compared to China's more state-centric model, not least in its ability to raise considerable investment through private funds and the agility that comes with harnessing market forces.
Second, the U.S. will win if it leverages its private sector's advantages to ensure it leads in terms of quantum computing's national security dimensions. Although America's robust private quantum sector can seize opportunities very quickly, that innovation is typically directed at commercial concerns rather than national security issues, whereas China's state-directed model always puts the service of state interests front-and-center. Furthermore, the multinational presence of innovative American companies can present security challenges; that’s a big problem since America's primary quantum competitor is notorious for intellectual property theft related to cutting-edge technologies. That means the so-called “black projects” associated with quantum computing need to enforce a one-way flow of information from the commercial to the national security projects.
Third, the American government and the more mature private firms will leverage methods and practices which the Chinese don’t possess. Although America’s governmental program for quantum computing is not yet at the same scale as China’s, the United States government has been involved in the sector for many years. The U.S. Department of Defense has been investing in quantum research for decades, and agencies such as the CIA, NASA, and the Department of Energy all have maintained partnerships with the private sector related to quantum technologies since the mid-2010s. In preparation for quantum-related cryptographic disruptions, the National Institute for Standards and Technology (or NIST) has also been working since 2016 to transition government systems to quantum-resistant security platforms as a way to prepare for quantum hacking risks. And in 2018, the U.S. government's focus on quantum computing as a strategic priority sharpened significantly after the Donald Trump administration issued its National Strategic Overview for Quantum Information Science, followed by the successful institution of the National Quantum Initiative (or NQI), which is providing $1,275,000,000 over five years to establish several quantum research centers to be directed by the Department of Energy, National Science Foundation, and NIST. So far, the NQI has allocated funding to research centers, started work on the National Q-12 Education Partnership to encourage students' engagement with quantum, and convened a Quantum Economic Development Consortium of leading corporations and other stakeholders in quantum development. The NQI has also released its first Quantum Frontiers report, which draws together community input on America's quantum strategy, and has begun work on quantum coordination with like-minded partners, including signing a quantum cooperation agreement with Japan. Alongside these efforts, America's military services are continuing to fund and collaborate with quantum computing research entities in the pursuit of productive military applications for quantum computing. And,
Fourth, to ensure that the United States wins the battle for quantum dominance the United will take the following six steps.
Congress will mandate that the Secretary of Defense and the Director of National Intelligence conduct annual joint assessments of America's quantum security status, including comprehensive reporting on all U.S. government initiatives in quantum computing or quantum science more generally. The House and Senate Armed Services Committees and Select Committees on Intelligence should also hold annual hearings on the state of the nation's quantum security.
- The White House's National Quantum Coordination Office, the Secretary of Defense, and the Director of National Intelligence will establish a process to regularly identify areas in which American superiority in quantum computing is non-negotiable and establish achievable plans to ensure consistent American advantage.
- The NIST will determine the timeline for the rollout of the new quantum-resistant cryptography standars for use by the U. S. government. Although the program's tentative timeline extends beyond 2034, the NIST should do all in its power to accelerate government transition to more advanced cryptographic options to ensure that rapid advancements in quantum capabilities do not outpace governmental security.
- The NQI and other relevant offices will continue to deepen their relationships with the private sector and academic researchers in quantum computing to help them understand the geo-political import of their activities and find areas for mutually beneficial collaboration.
- The U.S. will become proactive in shoring up IP norms domestically and internationally, in light of China’s continued corporate espionage efforts. This means establishing stricter patent protections and more aggressive repercussions for domestic and international IP theft. And,
- The United States will help foster an international resolve to thwart China’s multi-faceted aggression. As Beijing's belligerence grows, the U.S. will be proactive in cooperating with like-minded nations on quantum computing to ensure the Chinese government does not achieve its goal of ruling the quantum roost. Quantum computing will be added to the alliance agenda of like-minded tech powerhouses, building on the success of initiatives such as the Global Partnership on Artificial Intelligence and the G7 in countering authoritarian influence in artificial intelligence and 5G. Given the recent explosion of government funding toward quantum development, well-structured collaboration among trusted partners-complemented with appropriate protections against IP theft from China could go far in shaping a more peaceful and prosperous quantum future.
Reference:
1. Heritage Foundation. February 5, 2019. Klon Kitchen. Quantum Science and National Security: A Primer for Policymakers.
14. US Army. March 16, 2021. US Army DEVCOM Army Research Laboratory Public Affairs. Army, Air Force Fund Research to Support Multi-Domain Operations Superiority.
