양자 컴퓨터로 열리는 무한한 가능성

2024-07-26 김지현

1980년대부터 양자 컴퓨팅에 대한 연구가 시작된 이후 1994년 미국 국립표준기술연구소에서 양자 컴퓨팅 관련 컨퍼런스가 개최되며 학계의 주목을 받기 시작했다. 이후 2011년 D-Wave Systems가 최초의 상용 양자 컴퓨터를 출시하고 2019년 구글이 양자 우월성을 주장하면서 산업계에서도 관심을 갖기 시작했다. 물론 양자 컴퓨터가 아직 보급된 상황은 아니지만 향후 슈퍼컴퓨터를 부분 대체하고 클라우드의 서버를 보다 고성능화하는 데 기여할 수 있을 것이다. 그렇다면 지금 양자 컴퓨터는 어느 단계에 와있고 이로 인해 어떤 변화가 만들어질까?

양자 컴퓨팅의 시작과 관련 기업

양자 컴퓨팅의 개념은 1980년대 초반에 물리학자 리처드 파인만과 데이비드 도이치에 의해 처음 제안되었다. 파인만은 양자역학 원리를 이용해 컴퓨터를 만들면 더 강력한 계산 능력을 가질 수 있다고 주장했다. 그리고, 도이치는 양자 컴퓨터의 기본 개념을 수립하고 실제 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 더 뛰어난 성능을 보여줌을 증명했다. 한마디로 양자 컴퓨팅은 양자역학의 원리를 활용하여 정보를 처리하는 기술로 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 계산을 수행할 수 있다. 양자 컴퓨팅의 발전은 다음과 같은 단계로 이루어져 오고 있다.

• 이론적 연구 : 1980년대부터 양자 컴퓨팅의 이론적 연구가 시작되었고 이 시기에 양자 컴퓨팅의 기본 원리와 알고리즘이 연구되었다.

• 실험적 연구 : 1990년대부터 양자 컴퓨팅의 실험적 연구가 시작되어 양자 컴퓨팅의 원리를 활용하여 간단한 계산을 수행하는 실험적인 양자 컴퓨터가 개발되었다.

• 상용화 연구 : 2000년대부터 양자 컴퓨팅의 상용화 연구가 시작되어 다양한 기업들이 양자 컴퓨팅의 연구와 개발을 시작하였다.

구글의 양자 컴퓨터 시커모어(Sycamore)

이후 최근 들어서며 양자 컴퓨팅은 최근 다양한 성과를 거두고 있다.

• 양자 우위 : 2019년에 구글은 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 우위를 달성하였다고 발표하였다. 양자 우위는 양자 컴퓨터가 클래식 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 계산을 수행할 수 있는 상태를 의미한다.

• 양자 알고리즘 : 다양한 양자 알고리즘이 연구되고 있으며, 양자 알고리즘은 양자 컴퓨팅의 원리를 활용하여 정보를 처리하는 방법이다.

• 양자 애플리케이션 : 최근에는 양자 컴퓨팅을 활용한 다양한 애플리케이션도 연구되고 있다. 양자 컴퓨팅은 약물 개발, 최적화 문제, 기계 학습 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

그렇게 양자 컴퓨팅 분야에서 활동하는 기업으로 IBM과 구글, 마이크로소프트가 대표적으로 이들은 양자 컴퓨팅의 연구와 개발을 주도하고 있다. 양자 컴퓨팅의 원리를 활용하여 다양한 양자 컴퓨터를 개발하고 있다. 이같은 양자 컴퓨팅은 앞으로 다양한 분야에서 활용될 것으로 예상된다. 무엇보다 기존의 클래식 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 복잡한 계산을 수행할 수 있어 기존 슈퍼컴퓨터와 인공지능과 LLM이 적용되는 모든 개발 영역에 있어 뛰어난 속도로 시간을 단축해 줄 수 있을 것이다.

지난 2023년 8월 뜨거운 과학기술 주제였던 초전도체 개발은 양자 컴퓨팅 개발에 획기적인 도움을 줄 수 있어 큰 반향을 불러일으켰다. 초전도체는 저항이 없는 물질적 특성을 활용해 양자비트의 에러율을 줄이고 양자 상태를 더 오래 유지할 수 있도록 도와준다. 그로 인해 에너지 손실이 적어져 양자 컴퓨터의 가장 큰 한계인 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 초전도체를 활용한 양자 컴퓨팅은 더 빠르고 정확한 연산을 가능하게 해주며 알고리즘의 효율성도 높여준다. 덕분에 현재 양자 컴퓨팅 기술이 갖는 상용화하기까지의 시간을(대략 5년~10년으로 예상) 단축해 주는 데 직접적인 도움을 줄 수 있다. 하지만, 초전도체 개발이 사실이 아닌 것으로 판명됨으로 인해 양자 컴퓨팅의 상용화에 대한 기대도 거품이 되었다.

그럼에도 많은 기업이 차세대 기술 혁신 과제로 양자 컴퓨팅을 연구 개발 중이다. 양자 알고리즘과 하드웨어의 안정성을 중심으로 기술 연구가 본격화되고 있다. 물론 아직 초기 단계다 보니 양자 컴퓨터를 구축, 운영하는 비용이 비싸다. 더욱이 극저온 환경에서 작동해야 하다 보니 이를 위한 냉각 시스템과 제반 인프라가 필요해 상당한 투자를 필요로 한다. 그렇다 보니 특히 국가적 차원에서 안보와 차세대 국가 경쟁력을 위해 미국과 중국, 인도 등을 중심으로 기술 혁신이 본격화되고 있다. 앞으로 양자 컴퓨터의 상용화가 이루어지면 보안 솔루션과 데이터 최적화 분야 그리고 초거대 AI 개발에서 획기적인 비즈니스의 기회가 생길 것으로 예상된다. 또한, 비즈니스 도메인으로는 신약 개발이나 의료, 제약과 같은 생물학적 시뮬레이션과, 금융에서의 위험 분석과 포트폴리오 최적화 등에 사업 기회가 많아질 것이다.

이런 이유로 양자 컴퓨터 개발과 관련한 여러 시도와 연구가 꾸준하게 이루어지고 있다. 중국 과기일보에 따르면, 양자 컴퓨터 대표업체인 번위안량즈(Origin Quantum)는 양자칩과 양자 컴퓨팅을 발표했고 이 컴퓨터에서 동작하는 전용 운영체제인 번위안스난(Origin Pilot)을 공개하기도 했다. 이 운영체제는 양자 컴퓨팅 작업의 병렬 실행, 큐비트 자동보정과 양자 컴퓨팅 리소스 통합 관리 등의 기능을 갖추고 있다. 그렇게 중국은 2001년부터 국가 차원에서 양자 컴퓨팅 연구를 시작해 2013년에 반도체 기반 양자 컴퓨터 역량을 확보하기도 했다. 덕분에 슈퍼컴퓨터가 50년 걸리는 작업을 양자 컴퓨터가 3분 이내에 계산할 수 있다고 과기일보가 발표하기도 했다. 한국 역시 한국표준과학연구원(KRISS)이 2024년 초 20큐비트 양자 컴퓨터를 시연했고, 2026년까지 490억 원을 투자해 50큐비트 양자 컴퓨터를 개발할 계획이다. 현재 양자 컴퓨터 개발 관련한 상용화 단계의 유의미한 사례와 비즈니스 적용 사례는 다음과 같은데 앞으로 이런 기회가 더욱 커질 것이다.

현황

• IBM Quantum : IBM은 상용 양자 컴퓨터를 개발하고 있으며, IBM Q Experience라는 클라우드 기반 서비스를 통해 일반인과 기업이 양자 컴퓨팅을 체험할 수 있다.

• Google Quantum AI : Google은 2019년에 양자 우위를 달성했다고 발표했으며, 현재도 양자 컴퓨팅 연구와 개발을 지속하고 있다.

• D-Wave Systems : D-Wave는 양자 어닐러를 제공하며, 여러 기업과 협력하여 실용적인 양자 컴퓨팅 응용 프로그램을 개발하고 있다.

• Rigetti Computing : Rigetti는 양자 컴퓨팅 하드웨어와 소프트웨어를 개발하고 있으며, 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 서비스를 제공하고 있다.

• Microsoft Quantum : Microsoft는 양자 컴퓨팅을 위한 프로그래밍 언어와 라이브러리를 개발하고 있으며, Azure Quantum을 통해 클라우드 기반 양자 컴퓨팅을 제공하고 있다.

양자 컴퓨팅의 활용 영역

이같은 양자 컴퓨터가 상용화되면 다양한 산업에서 효과적으로 우리 사회의 비즈니스 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대된다. 일례로 금융에서는 포트폴리오 최적화, 리스크 분석, 사기 탐지와 같은 복잡한 계산 문제를 효율적으로 해결할 수 있다. 이는 기존 슈퍼컴퓨터로는 처리하기 어려운 대규모 데이터 세트와 고도화된 모델을 다루는 데 강점을 가진다. 또한, 제약 및 화학산업에서는 신약 개발, 분자 모델링, 화합물 반응 시뮬레이션 등이 양자 컴퓨터를 통해 획기적인 개선이 가능해진다. 예를 들어, 새로운 약물을 개발하는 과정에서 분자의 특성과 반응을 정확히 예측할 수 있어 개발 시간을 단축하고 비용을 절감할 수 있다. 물질과학 및 소재 개발에도 이용된다. 새로운 소재의 발견과 특성 연구에 도움을 주어 에너지 효율적인 소재, 초전도체, 강력한 합금 등의 개발이 가속화될 수 있다. 물류 및 공급망 관리 영역에서도 양자 컴퓨터의 빠른 계산 능력은 최적의 경로 탐색, 자원 배분, 재고 관리를 효율화할 수 있다. 또한, 기후 변화 예측과 환경 보호를 위한 복잡한 모델을 더욱 정밀하게 계산할 수 있어, 기후 정책 결정과 환경 보호 전략 수립에 큰 도움이 될 것이다.

사실 위와 같은 문제는 기존에 슈퍼컴퓨터가 해오던 역할이다. 슈퍼컴퓨터는 다수의 프로세서를 활용해 병렬 처리 수행 기반으로 엄청난 연산 성능을 갖추고 있다. 그렇다 보니 다양한 과학, 산업 문제 해결에 이용되고 있다. 하지만 워낙 많은 프로세서가 구동되어야 해서 에너지 소비와 공간을 많이 필요로 한다. 반면 양자 컴퓨터는 극저온 냉각 장치로 인해 공간과 에너지 소비가 상당하긴 하지만 계산 성능 대비 슈퍼컴퓨터와 비교해 워낙 빠른 시간 내 처리를 하므로 에너지와 공간 소비 부분에 있어 특장점을 가지고 있다. 하지만, 슈퍼컴퓨터는 이미 안정된 기술로 다양한 산업에서 광범위하게 사용되고 있는 반면, 양자 컴퓨터는 연구 실험 단계인 데다 특정한 영역에서 복잡한 문제를 해결하는데 뛰어난 성능을 보이고 있어 두 기술은 상호 보완적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 일례로 양자 컴퓨터가 특별히 슈퍼컴퓨터 대비 성능이 뛰어난 영역은 암호해독, 신약 개발, 공급망이나 물류, 자원 배분, 기후 관리와 같은 최적화 방안 도출과 복잡한 데이터 패턴을 인식해 AI 모델 학습과 관련된 부분들이다.

• 암호 해독 : 현재의 공공키 암호화 방식을 쉽게 풀 수 있고, 이를 통해 새로운 암호화 방식의 필요성이 대두될 것이다.

• 신약 개발 : 분자와 화학 반응을 정밀하게 시뮬레이션함으로써, 신약 개발 과정에서 큰 혁신을 가져올 수 있을 것이다.

• 최적화 문제 : 물류, 재무 모델링, 공급망 관리 등 다양한 분야에서 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있다.

• AI와 머신러닝 : AI와 머신러닝 알고리즘의 학습 속도를 획기적으로 높일 수 있는 가능성을 가지고 있다.

반면 양자 컴퓨터가 가장 직접적으로 효과를 보일 수 있는 영역은 클라우드 서버와 AI 관련 영역이다. 양자 컴퓨터는 연구소와 대학, 정부기관 등이 특정한 목적으로 사용하는 클라우드 서버에 적용되어 특정한 계산을 기존보다 더 빠르게 개선할 수 있을 것이며, AI 모델의 학습과 추론 속도를 크게 개선할 수 있을 것으로 기대된다.

• 클라우드 : 양자 컴퓨팅이 클라우드 인프라에 도입되면, 기존의 GPU와 CPU 기반 시스템보다 훨씬 더 빠르고 효율적으로 데이터를 처리할 수 있다. 이는 대규모 데이터 세트와 복잡한 AI 모델을 다루는 데 매우 유리하다. 양자 컴퓨팅의 병렬 처리 능력은 특히 AI 모델의 학습 시간을 단축하고, 더 높은 정확도의 모델을 개발할 수 있도록 도와줄 수 있다.

• AI 모델 학습 : AI를 학습하는 영역에서도 양자 컴퓨팅의 혜택을 받을 수 있다. 양자 컴퓨팅은 엣지에서 실시간 데이터 처리를 가능하게 하며, 지연 시간을 줄이고 데이터 전송 비용을 절감할 수 있다. 즉, 양자 컴퓨팅은 기존의 GPU와 메모리에 대한 의존성을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터는 정보 처리를 위해 큐비트(qubits)를 사용하며, 이는 기존의 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 동시에 처리할 수 있다. 이를 통해 초고속의 데이터 처리와 효율적인 메모리 사용이 가능해질 수 있어 현재 LLM 학습과 운영에 들어가는 비용을 효율화해 줄 수 있을 것으로 기대된다.

양자 컴퓨팅이 가져올 변화와 기대효과

양자 컴퓨터는 아직 상용화 단계가 아니다. 또, 양자 컴퓨터가 보급된다 하더라도 일반 개인이나 기업이 이를 활용하는 것은 제한적이며 특정 연구와 산업 영역에서만 제한적으로 활용될 수밖에 없다. 구축과 개발 비용이 슈퍼컴퓨터보다 더 비싸고 기존 컴퓨터처럼 다양한 영역에서 유연하게 사용할 수 있는 기술이 아니기 때문이다. 또한, 큐비트의 오류율 문제, 양자 얽힘 유지, 디코히런스 문제 등 많은 기술적 과제가 남아 있다. 그러나 이러한 문제들을 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중이며, 미래에는 더 많은 실용적인 양자 알고리즘과 응용 프로그램이 개발될 것으로 기대된다. 그로 인해 특정 계산 영역에서 더 적은 에너지로 보다 빠르게 처리할 수 있게 되어 우리의 사회적·지구적 문제를 해결하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다.

물론 양자 컴퓨터 기술로 인해 위협받을 수 있는 영역도 있다. 대표적으로 블록체인의 암호화 기술은 양자 컴퓨터의 빠른 성능으로 인해 해킹에 취약해질 수 있다. 블록체인 기술은 암호화 기술을 기반으로 하며 특히 공개키 암호화 기술을 사용하는데, 공개키 암호화 기술은 두 개의 키(공개키와 개인키)를 사용하여 데이터를 암호화하고 복호화한다. 이러한 암호화 기술은 현재의 클래식 컴퓨터로는 복호화하기 어렵지만, 양자 컴퓨터의 등장으로 복호화가 용이해질 수 있다. 즉, 양자 컴퓨터는 쇼어의 알고리즘(Shor's algorithm)을 사용하여 공개키 암호화 기술의 보안을 해제할 수 있다. 쇼어의 알고리즘은 양자 컴퓨터를 사용하여 소인수분해를 빠르게 수행할 수 있으며, 이로 인해 공개키 암호화 기술의 보안이 취약해질 수 있다. 그러나, 블록체인 기술은 양자 컴퓨터의 위협에 대비하여 양자안전 암호화 기술(Quantum-Safe Cryptography)을 도입하고 있기도 하다. 양자안전 암호화 기술은 양자 컴퓨터의 공격에 대비하여 보안을 강화하는 기술로 양자 컴퓨터의 위협을 차단할 수 있다. 따라서 양자 컴퓨터 기술이 보급되더라도 블록체인 기술은 양자안전 암호화 기술을 도입하여 보안을 유지하고, 위변조와 해킹을 차단할 수 있다. 결론적으로 현재 암호화 체계를 붕괴시킬 우려가 있다. 이를 위해 양자 암호화 기술의 필요성도 향후에 대두될 것이다.

그 외에도 이렇게 강력한 연산 능력을 갖춘 양자 컴퓨터가 개인정보 침해나 금융 시스템 해킹 등에 악용될 경우 사회적 문제가 커질 수 있다. 또, 이 기술이 아무나 개발할 수 있는 것이 아니기에 특정 국가나 기업이 독점할 경우 발생하는 디지털 격차와 경제적 불평등도 문제이다. 그만큼 양자 컴퓨터가 본격 보급될 때 이 기술의 발전에 따른 새로운 법적·규제적 프레임워크와 거번넌스를 필요로 할 수 있다. 개인정보 보호와 데이터 보안, 기술 오용 방지와 기술 불평등을 해소할 수 있는 방안에 대한 연구와 대응이 필요하다.