양자컴퓨터quantum computer의 시대

양자컴퓨터란 현존하는 컴퓨터 중 가장 뛰어난 슈퍼 컴퓨터가 수천 년이 걸 려도 풀기 힘든 문제를 단 몇 초 안에 풀어내는 컴퓨터다.

 

 

큐빗qubit

 

‘큐빗’은 양자 컴퓨터의 정보처리 단위를 뜻한다. 기존 컴퓨터의 정보처리 단위인 비트(Bit)는 정 보를 0 또는 1로 저장할 수 있다. 그러나 양자컴퓨터의 큐빗(Qubit)은 동시에 0과 1로 저장이 가능하다. 양자 역학의 원리인 ‘중첩’이다. 두 개의 큐빗은 중첩 상태의 4가지 가능한 상태 가 있으며, 이러한 상태가 기하급수적으로 증가한다. 문제에 대한 방대한 양의 솔루션을 동시에 탐색할 수 있다는 의미 다. 서울에서 부산까지의 행로를 예로 들 면 기존 컴퓨터 방식은 경부고속도로 하 나를 이용하는 반면, 양자컴퓨터는 비행 기, KTX 등 다양한 방식으로 가서 가장 빠른 길을 찾아내는 셈이다.

 

 

 

양자컴퓨터는 우리의 일상을 어떻게 바꿀까?

 

구글 등 빅테크는 양자컴퓨터가 기후 변 화, 코로나19와 같은 인류의 당면 과제를 해결하는 도구가 될 것으로 예상한 다. 예를 들어 효율성이 큰 배터리를 만 들거나 탄소 배출 없이 비료를 만들 수 있는 기술, 그리고 코로나와 같은 전염병에 대응할 수 있는 의약품을 개발하는 일 등에 활용할 수 있다고 본다. 에릭 루세로(Erik Lucero) 구글 엔지니어는 “고전적인 컴퓨터를 이용해 자연의 분자를 시뮬레이션하기는 어렵다. 새로 운 유형의 컴퓨터가 그래서 필요하다”며 “자연은 양자 역학이다. 양자컴퓨터는 현실 세계의 분자 복잡성(complexity)을 분석하고, 분자가 어떻게 행동하고 상호 작용하는지 시뮬레이션하고, 오류를 지 속적으로 수정하는 방식으로 활용할 수 있다”라고 설명했다.

양자컴퓨터는 제조업, 제약업, 그리고 국방산업에까지 활용될 것으로 보인다. 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 모든 것을 더 빨리 수행할 수는 없다. 하지만, 큰 영향을 미칠 분야는 아래와 같다. 

 

• 양자 시뮬레이션

양자컴퓨터는 다른 양자 시스템을 모델링하는 데 적합하다. 즉, 기존 컴퓨터에 과부하를 일으킬 수 있는 양자 시스템의 복잡성과 모호성을 처리할 수 있다. 모델링할 수 있는 양자 시스템의 예로 빛에너지를 화학에너지로 전환하는 광합성, 전기 저항 없이 전류를 흐르게 하는 초전도성, 복잡한 분자 형성 등이 있다.

• 암호화

현재 인터넷에서 데이터를 안전하게 보내기 위해 사용하는 암호시스템에는 RSA (Rivest-Shamir-Adleman) 알고리즘이 쓰인다. 방식은 소인수 분해 또는 이산 로그와 같은 다루기 힘든 문제를 활용해 암호화하는 식이다. 그러나 양자컴퓨터는 이러한 문제 그리고 그 문제로 만들어진 암호 중 다수를 풀 수 있다. 양자 컴퓨팅은 암호 해독에만 쓰이는 것이 아니라 양자 방식으로 암호를 만드는 데도 쓰일 수 있다. 양자암호 역시 양자역학의 특별한 현상을 이용한다. 해커가 중간에 양자 암호키를 측정하거나 정보를 관측하려 하면 양자 상태에 변화가 생긴다. 양자 상태가 변했다는 것은 암호가 변한다는 말이다. 해킹할 수 없는 암호가 만들어지는 것이다.

• 최적화

최적화는 원하는 결과와 제약 조건을 고려해 문제에 대한 최상의 솔루션을 찾는 프로세스다. 과학 및 산업 분야에서는 비용, 품질, 생산 시간과 같은 요소를 기반으로 중요한 결정을 내리는데 양자컴퓨터로 이 모두를 최적화할 수 있다. 기존 컴퓨터에서 양자 유도 최적화 알고리즘을 실행해 전에는 불가능했던 솔루션을 찾을 수 있으며, 이를 통해 교통 흐름, 비행기 게이트 할당, 패키지 배달, 에너지 스토리지와 같은 복잡한 시스템을 관리하는 더 나은 방법을 찾을 수 있다.

• 양자 머신 러닝

기존 컴퓨터의 머신 러닝은 과학과 비즈니스의 세계를 혁신적으로 변화시켰다. 그러나 머신 러닝 모델을 학습시키려면 비용이 많이 든다. 이로 인해 이 분야의 개발이 더 이상 진척되지 못했다. 이 영역에서 진행 속도를 높이기 위해 마이크로 소프트는 더 빠른 머신 러닝을 가능하게 하는 양자 소프트웨어를 개발하고 있다. 

 

양자컴퓨터 개발은 어느 정도 단계인가?

 

양자컴퓨터는 수십 년 동안 점진적으로 발전해 왔고, 빅테크 기업과 신생 기업이 상용화를 시작하기 직전에 와 있다. 순다르 피차이 알파벳(구글) CEO도 지난 2019년 스위스 다보스에서 열린 세계경제포럼에서 “양자컴퓨터가 자연 세계에 대한 인류의 이해도를 높일 것으로 기대하며 신약과 더 나은 배터리를 개발할 수 있는 기회를 가져올 것”이라면서 “향후 5~10년 이내에 구체적인 결과물이 나올 것”이라고 언급했다. 실제 시장은 빠르게 성장하고 있다. 리서치 회사 가트너(Gartner)에 따르면 빅테 크 기업의 40%가 오는 2025년까지 자체 적인 양자 프로젝트를 시작할 것으로 예 상된다. 또 양자컴퓨터의 대규모 투자비 용을 감안할 때 대부분의 기업이 클라우 드 기술을 활용할 것으로 전망했다. 신생 기업들도 잇따라 투자를 유치했다. 양자컴퓨터는 일반적으로 초저온에서만 구동이 가능하기 때문에 대형 하드 웨어 장비를 구비해야 한다. 이에 관련 기술을 개발하는 신생 업체가 늘었고, 지난해 벤처 캐피털의 투자 규모는 14억 달러에 달했다. 시장 규모도 계속 커지고 있다. 투자 은행 코웬(Cowen)에 따르면 양자 컴퓨팅 하드웨어와 서비스 시장 규모는 연간 50%씩 성장하고 있다. 지난해 4억 7,500 만 달러 규모에서 오는 2025년까지 약 25억 달러, 2030년 190억 달러 규모의 시장으로 성장이 기대된다. 양자컴퓨터는 분자의 화학반응을 시뮬레이션할 수 있기 때문에 재료 과학이나, 약물 개발 분야에서 탁월한 성과가 기대된다. 전문가들은 “제약, 화학, 자동차 분야에서 가장 먼저 혜택을 받게 될 것”이라고 분석했다. 크리시 샌커(Krish Sankar) 코웬 애널리 스트는 “대부분의 기업이 상용화를 위한 충분한 큐빗을 얻기 위해 향후 3~5년 을 목표로 하고 있다”고 덧붙였다

 

구글 - 퀀텀 AI랩
IBM - IBM 퀀텀 시스템
마이크로소프트 - 애저 퀀텀Azure quantum
아마존 - AWS

 

리스크 ! 생명과학 분야만큼 크다 !!

 

양자컴퓨터 상용화와 관련한 업계의 전망은 엇갈린다. 양자 전문가로 IBM 출신의 마르코 피스토이아(Marco Pistoia) JP모건 애널리스트는 최근 한 팟캐스트에 출연, “양자 우위(양자컴퓨터가 전통적인 슈퍼컴퓨터의 범위를 훨씬 뛰어넘는 계산을 안정적으로 수행할 수 있는 순간)가 10년 안에 실현될 수 있다”라고 강조했다. 그러면서 “현존하는 양자컴퓨터는 아직 강력하지 않다. 시간이 얼마 남지 않았기 때문에 기업은 뒤처지지 않게 그 순간에 대비해야 한다”라고 덧붙였다. 한편, 크리시 샌커 코웬 애널리스트는 양자컴퓨터의 초기 단계를 약물이 언제 출시될지 예측하기 어려운 초기 단계의 생명 공학 회사에 비유했다. 일부에서는 양자컴퓨터가 실용적인 응용 프로그램이 없는 ‘과장된 거품’이라는 주장도 나온다. 물리학자인 니키타 구리아노프 (Nikita Gourianov) 옥스퍼드대 교수는 최근 “대규모의 결함 없는 양자컴퓨터를 만들 수 있을지 여부는 불분명하다”라고 언급했다. 양자컴퓨터가 상용화되면 다른 곳에서 위험이 뒤따른다는 의견도 있다. 양자 컴퓨터는 웹사이트나 이메일의 암호화 기술을 뒷받침하는 수학적 문제를 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 이는 글로벌 금융 기업들과 IT 기업들을 위협할 수 있는 요인이 된다. 뿐만 아니라 해커들이 비트코인을 쉽게 훔치는 등의 부정 적 위험을 초래할 수도 있다고 전문가들은 경고한다. 실제 JP모건 체이스는 양자컴퓨터 개발에 따른 위협에 대응하기 위해 내부팀을 꾸려, 보다 안전한 차세대 통신 네트 워크 개발에 나섰다. 

 

 

 

Image ⓒ SHUTTERSTOCK

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 THE SAGE INVESTOR, Vol. 72, 2023