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이 기사는 인공지능(AI) 번역을 통해 생성된 콘텐츠로 원문은 6월23일 블룸버그통신 기사입니다.

[서울=뉴스핌] 이홍규 기자 = 40년 전 물리학자들은 양자물리학의 난해한 역학을 활용해 기존 컴퓨터보다 지수적으로 강력한 새로운 유형의 컴퓨터를 만들 수 있다는 이론을 세우기 시작했다. 일련의 기술 도약이 이어지면서 "양자 유용성(quantum utility)"이 현실에 가까워지고 있다. 복잡한 실제 현상의 거동을 충실히 모델링할 수 있을 만큼 정확한 컴퓨터를 개발하기 위한 경쟁이 펼쳐지고 있으며, 신약 개발, 금융 모델링, 인공지능(AI) 등 다양한 분야에서 도약의 가능성이 거론된다.

양자 컴퓨터의 매력은 무엇인가?

기존 컴퓨터로는 수행할 수 없는 연산이 가능하다. 구글은 2024년 자사의 윌로우 양자 프로세서가 5분 만에 해결한 문제를 세계 최강의 슈퍼컴퓨터들이 우주 탄생 시점부터 연산을 시작했더라도 풀지 못했을 것이라고 발표했다.

실험 단계의 양자 컴퓨터는 통상 기존 컴퓨터가 감당하기 어려운 작업에 투입된다. 변수 입력값이 너무 많아서다. 양자 컴퓨터의 가장 큰 잠재력은 상호작용 과정에서 특성이 변화하는 다수의 구성 요소를 포함한 복잡한 시스템을 모델링하는 데 있다. 예컨대 분자 거동을 재현해 신약 개발을 앞당기거나, 경제 주체와 금융 중개기관의 의사결정을 시뮬레이션해 시장 예측 정확도를 높이는 데 활용될 수 있다.

양자 컴퓨터는 오늘날 대부분의 컴퓨터가 수행하는 반복적이지만 단순한 작업, 즉 비교적 제한된 수의 독립적 입력값을 대규모로 순차 처리하는 작업에는 큰 효용이 없을 것으로 전망된다.

양자 컴퓨터를 개발하는 곳은?

캐나다에서 설립돼 캘리포니아에 본사를 둔 D-Wave 퀀텀(QBTS)은 2011년 최초로 양자 컴퓨터를 판매하기 시작했다. IBM(IBM), 알파벳(GOOGL) 산하 구글, 아마존 웹 서비스, 다수의 스타트업도 작동 가능한 양자 컴퓨터를 개발했다.

최근에는 마이크로소프트(MSFT)가 확장 가능하고 실용적인 양자 슈퍼컴퓨터 개발에서 진전을 이루고 있다. 인텔(INTC)은 다른 큐비트(quantum bit, 양자 비트) 유형보다 최대 100만 배 작은 트랜지스터인 큐비트를 탑재한 실리콘 양자 칩을 연구자들에게 공급하기 시작했다.

구글과 IBM은 스타트업 유니버설 퀀텀, PsiQuantum과 함께 이 10년이 끝나기 전에 유용한 양자 슈퍼컴퓨터를 선보이겠다고 밝혔다.

양자 컴퓨팅 분야를 선도하는 국가는?

미국, 유럽, 중국이 양자 분야의 주도권을 두고 경쟁하고 있다. 중국 정부는 해당 분야에 100억달러 규모의 양자정보과학 국립연구소를 설립하는 등 집중 투자를 진행하고 있다. 도널드 트럼프 미국 대통령은 6월 양자 기술 개발을 가속화하고 관련 사이버 보안 위협을 완화하기 위한 두 건의 행정명령에 서명했다. 미국 방위고등연구계획국(DARPA)은 2033년까지 산업용 양자 컴퓨터를 개발할 역량이 있다고 판단한 11개 기업을 선정했다. 여기에는 IBM, 캐나다의 자나두 퀀텀 테크놀로지스, 영국의 퀀텀 모션 테크놀로지스, 퀀티뉴엄이 포함되며, 퀀티뉴엄은 6월 기업공개(IPO)를 통해 17억달러를 조달했다.

점점 더 많은 국가가 양자 컴퓨팅을 전략 기술로 인식하고 있다. 유럽연합(EU)은 기업이 본사를 역내에 유지하는 조건으로 양자 기술을 포함한 로봇공학 등 핵심 분야 스타트업을 지원하기 위해 50억유로(57억달러) 규모의 펀드를 조성하고 있다. 핀란드의 유니콘 기업 IQM 퀀텀 컴퓨터스와 프랑스의 파스칼 홀딩은 자국 시장 상장을 포기하고 기업인수목적회사(SPAC) 방식으로 미국 증시에 상장했다.

영국은 3월 향후 4년간 양자 컴퓨팅 연구에 10억파운드(13억달러) 이상을 투입하겠다고 밝혔다. 업계 컨설팅 업체 QBN은 영국을 포함한 유럽 전체가 미국보다 거의 3배에 달하는 공적 자금을 이 기술 개발에 투입하기로 약정했다고 추산했다. 일본, 싱가포르, 호주도 양자 컴퓨팅을 우선 투자 분야로 지정했다.

핵심 이해관계는 경제적 차원을 넘어선다. 유용한 양자 컴퓨터가 실현되기 전에도, 양자 특성을 활용해 극도로 정밀한 측정을 수행하는 양자 감지와 정밀 표적 식별 및 잠수함 탐지를 가능하게 하는 양자 항법 분야의 발전이 세계 군사 균형을 변화시킬 수 있다.

양자 컴퓨터는 어떻게 작동하는가?

기존 컴퓨터와 마찬가지로 소형 회로를 이용해 연산을 수행한다. 다만 기존 방식과 달리 연산을 순차가 아닌 병렬로 처리한다는 점이 처리 속도의 근거다. 일반 컴퓨터는 비트(bit)라는 단위로 정보를 처리하는데, 각 비트는 0 또는 1, 즉 컴퓨터 칩의 논리 게이트가 열려 있는지 닫혀 있는지에 해당하는 두 가지 상태 중 하나만 나타낸다. 기존 컴퓨터는 다음 정보를 처리하기 전에 이전 정보에 반드시 값을 할당해야 한다.

반면 양자역학의 "확률론적" 특성 덕분에 양자 컴퓨터의 큐비트는 전체 연산이 완료될 때까지 값을 할당받지 않아도 된다. 이를 "중첩(superposition)"이라 한다. 따라서 기존 컴퓨터의 3비트가 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111이라는 8가지 가능성 중 하나만 표현할 수 있는 데 반해, 3큐비트 양자 컴퓨터는 이 모든 경우를 동시에 처리할 수 있다. 4큐비트 양자 컴퓨터는 이론상 동일한 크기의 기존 컴퓨터보다 16배 많은 정보를 처리할 수 있으며, 큐비트가 하나씩 추가될 때마다 처리 능력은 두 배씩 늘어난다. 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 지수적으로 많은 정보를 처리할 수 있는 이유가 여기에 있다.

양자 컴퓨터는 어떻게 결과를 도출하는가?

일반 컴퓨터를 설계할 때 엔지니어들은 각 비트의 상태가 다른 비트로부터 독립적으로 유지되도록 하는 데 많은 노력을 기울인다. 반면 큐비트는 "얽힘(entangled)" 상태에 있어 하나의 큐비트 특성이 주변 큐비트의 특성에 의존한다. 큐비트들이 협력해 해답에 도달하는 과정에서 정보가 더 빠르게 전달될 수 있다는 점에서 이는 장점이 된다. 양자 알고리즘이 실행되는 동안 큐비트에서 나오는 상충되는, 즉 오류일 가능성이 높은 결과는 서로 상쇄되고, 일치하는, 즉 정확할 가능성이 높은 결과는 증폭된다. 이 현상을 "결맞음(coherence)"이라 하며, 이를 통해 컴퓨터는 가장 정확할 것으로 판단되는 답을 출력한다.

큐비트는 어떻게 만들어지는가?

이론적으로는 제어 가능한 양자역학적 특성을 지닌 모든 것이 큐비트 제작에 활용될 수 있다. 일부 과학자들은 포획된 이온, 광자 펄스, 또는 전자의 스핀을 조작해 큐비트를 구현했다. 대부분은 반도체 소재로 제작되며, IBM과 D-Wave 퀀텀, 구글은 초전도 미세 루프를 활용한다. 마이크로소프트는 2025년 2월 자연계에서 이전까지 관측된 적 없는 입자인 마요라나를 이용해 더 안정적인 큐비트를 생성한다고 주장하는 새로운 유형의 초전도체를 개발했다고 밝혔다. 이 방식 중 다수는 우주 공간보다 낮은 온도처럼 매우 특수한 환경을 요구한다.

큐비트는 얼마나 많이 필요한가?

매우 많다. 큐비트는 기존 비트보다 지수적으로 많은 정보를 처리할 수 있지만 본질적으로 불확실한 특성 때문에 오류가 발생하기 쉽다. 큐비트들이 서로 결맞음 상태에서 벗어날 때 연산 오류가 생긴다. 이론 연구자들은 일부 오류를 교정할 수 있는 알고리즘 개발에 매진하고 있다. 그러나 불가피하게도 해결책의 일부는 큐비트를 더 추가하는 것이다.

상용 프로그램을 안정적으로 실행하려면 수백만 개, 경우에 따라 수십억 개의 큐비트가 필요할 것으로 과학자들은 추산한다. 3월 구글 연구진이 발표한 논문에 따르면 비트코인을 보호하는 암호화를 해독하는 데 50만 개 미만의 큐비트가 필요한 것으로 나타났다. 이는 기존 예상보다 훨씬 적은 수치이지만 당장 실현 가능한 수준은 아니다. 현재 연결된 큐비트 수 기록은 9월 캘리포니아공과대학교 연구진이 달성한 6,100개다.

정확도와 안정성도 중요한 요소지만 충분한 수의 큐비트를 서로 연결하는 것이 핵심 과제다. 컴퓨터 규모가 커질수록 발열이 증가하고 이는 큐비트가 결맞음 상태에서 벗어날 가능성을 높인다. 구글의 윌로우 칩은 큐비트를 더 많이 연결할수록 오류율이 오히려 낮아졌다는 점에서 획기적인 성과로 평가받았다.

그렇다면 양자 컴퓨터는 대중화 단계에 접어들었는가?

학술 연구자들은 클라우드 기반 IBM 퀀텀 플랫폼을 통해 이미 100개 이상의 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터로 문제를 풀고 있다. 양자 코드 개발 방법을 아는 일반인도 이 플랫폼을 사용해볼 수 있다. IBM의 아빈드 크리슈나 최고경영자(CEO)는 자사의 양자 컴퓨터와 알고리즘 기법을 결합하면 다른 방식으로는 모델링이 불가능한 단백질 복합체를 구현할 수 있다고 말했다. HSBC(HSBC)의 연구진은 9월 이 컴퓨터 중 하나를 활용해 채권이 특정 가격에 거래될 가능성을 예측하는 정확도를 3분의 1 높였다고 밝혔다. 과학자들은 이 10년 안에 상용 목적에 적합한 이른바 "범용" 양자 컴퓨터를 구현하는 것을 목표로 하고 있다.

단점은 없는가?

양자 컴퓨터의 막대한 문제 해결 능력이 갖는 잠재적 단점 중 하나는 기존 암호화 체계를 얼마나 손쉽게 해독할 수 있는지와 관련된다. 양자 컴퓨팅 상용화가 얼마나 가까이 다가왔는지를 가늠하는 가장 확실한 지표는, 각국 정부가 관련 지침을 공표하고 기업들이 기존 컴퓨팅 시스템을 양자 컴퓨터의 해독으로부터 보호하는 데 수백만달러를 투입하고 있다는 사실이다.

bernard0202@newspim.com