혁신성
양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐빗(qubit)을 안정된 형태로 만들 수 있다.

왜 중요한가
양자 컴퓨터는 인공지능 프로그램을 기하급수의 속도로 돌릴 수 있으며 복잡한 시뮬레이션과 스케쥴링 문제를 풀 수 있다. 또 절대 풀 수 없는 암호를 만들 수 있다.

주요 회사들
큐테크 / 인텔 / 마이크로소프트 / 구글 / IBM

실용화 시기
4~5년 후

구글, 인텔 등의 기술은 과거에는 상상할 수 없던 속도의 컴퓨터 시대가

마침내 눈앞에 왔음을 알려준다.

네덜란드 큐텍 연구소의 한 실험실에서는 양자컴퓨터 분야에서 세계에서 가장 앞선 연구를 하고 있다. 하지만 연구소 모습은 흔한 공조시스템 실험실 같다.

델프트 공대 응용과학빌딩 한쪽 조용한 귀퉁이의 이 실험실은 사람이 별로 눈에 띄지 않는다. 마치 전기메뚜기 떼가 몰려온 듯한 소음과 함께, 커다란 푸른색의 실린더를 지탱하는 서너 개의 다리 밑으로 절연 튜브와 전선, 제어장치 등이 얽혀있을 뿐이다.

급속 냉각장치인 이 푸른 실린더 내에서는 나노와이어와 반도체, 초전도체 등이 절대 영도에 가까운 온도에서 기이한 양자 역학적 현상을 일으키고 있다.

물리적으로 극한의 상황에서 물질은 '준입자(quasiparticles)'가 된다.

그리고 이 특이한 성질에 의해 양자컴퓨터의 핵심 소자로 작동할 수 있는 가능성을 갖게 된다.

실험실은 이들을 이용해 양자 컴퓨터를 만드는 데 큰 진전을 보였다. 몇 년 내에 이들은 암호학, 재료 과학, 신약 개발, 그리고 인공지능 분야의 역사를 새로 쓰게 될 것이다.

지금까지 이론적으로만 가능했던
양자컴퓨터가 실제로 만들어지고 있다.

양자컴퓨터는 매년 혁신 기술의 후보 목록에 올랐지만, 그때마다 우리는 같은 결론에 도달했다. 아직은 이르다는 것.

실제로 지난 몇 년 간, 큐빗과 양자컴퓨터가 과연 가능한 지를 다루는 논문과 실험이 쏟아졌다. (캐나다의 D 웨이브시스템은 양자 어닐링(quamtum annealing)이란 기술을 사용하는 컴퓨터를 양자컴퓨터라며 팔고 있다. 이들의 방식에 회의적인 사람들은 이 컴퓨터가 기껏해야 아주 제한된 계산만 할 수 있고 기존의 컴퓨터보다 더 빠를 수도 없을 것이라고 말한다.)

그러나 올해, 이론적으로만 가능했던 형태가 실제로 만들어지고 있다.

또 올해는 구글, IBM, 인텔, 마이크로소프트 등이 실제 작동하는 양자 컴퓨터를 만들 수 있도록 미세 전자공학, 양자컴퓨터 회로, 제어 소프트웨어 등의 연구 개발에 투자를 늘렸다.

양자 컴퓨터란?
양자 컴퓨터의 핵심은 양자 비트 또는 큐빗(qubit)이라고 부르는
정보의 기본 단위에 있다. 기존 컴퓨터에서 0과 1을 의미하는
트랜지스터에 대응하는 것이다. 큐빗은 고전적 비트와 다른 두 가지
특성을 갖는다. 양자 컴퓨터가 더 강력한 것은 이 때문이다.
0과 1을 동시에 가질 수 있고 양자 얽힘(quantum entanglement)이라는 현상에 의해
다른 큐빗에 영향을 줄 수 있다는 점이다.

이 두 가지 성질은 특정
계산에서 양자컴퓨터가 정답을 빠르게 구할 수 있도록 만든다.

최근 마이크로소프트가 영입한 델프트의 실험실 책임자 레오 쿠벤호벤 교수는 양자컴퓨터를 만드는 데 가장 오랜 장애물이었던 문제를 극복하려 한다.

바로 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐빗이 노이즈, 곧 오류에 대해 극도로 민감하다는 것.

큐빗이 실제 양자컴퓨터에 쓰이려면 양자 중첩(두 상태가 동시에 존재하는 성질)과 얽힘(물리적으로 분리된 큐빗이지만 한 큐빗에 생긴 변화가 다른 큐빗에 영향을 주는 성질)이라는 두 성질을 가져야 한다.

그런데 이런 민감한 조건은 전기장의 진동이나 떨림 같은 아주 작은 변화에도 쉽게 무너진다.

양자컴퓨터는 현재 가장 빠른 컴퓨터도 풀기 어려운 복잡한 문제를 풀 수 있다. 이 때문에 사람들은 앞서 말한 어려움을 해결해, 양자컴퓨터를 만들기 위해 오랫동안 노력해 왔다.

그리고 드디어 쿠벤호벤과 그의 동료들은 밧줄의 매듭처럼 본질적으로 안정적인 큐빗을 만들었다고 생각한다.

쿠벤호벤은 “밧줄을 아무리 당기거나 변화시켜도 매듭은 남아있다”며 “정보가 바뀌지 않는다”고 말한다.

이러한 안정성은 양자컴퓨터의 에러 보정을 위해 필요했던 계산량을 충분히 줄일 수 있다. 따라서 더 고성능의 양자컴퓨터를 만들 수 있게 할 것이다.

쿠벤호벤의 기술은 2012년에야 발견된, 독특한 준입자(quasiparticle)의 조작법에 기반하고 있다.

이는 이들이 이룩한 놀라운 진전의 일부에 불과하다.

인텔이 자금을 지원하는 같은 실험실의 리벤 반데르사이펜은 기존의 실리콘 기판 위에서 어떻게 양자 회로를 조작할 수 있는지 보여줬다.

양자컴퓨터는 매우 큰 수를 인수분해 할 수 있으며(이를 통해 현재 널리 쓰이는 암호를 깰 수 있고 깰 수 없는 암호를 만들기도 한다), 복잡한 최적화 문제를 풀거나 기계학습 알고리즘도 돌릴 수 있다.

이외에 아무도 상상하지 못했던 응용 분야가 존재할 것이다.

어쨌든 가까운 시일 내에 우리는 양자컴퓨터가 뭘 할 수 있는지 알게 될 것이다.

지금까지 과학자들은 완벽하게 조작할 수 있는 5큐빗 컴퓨터, 혹은 다소 불안정한, 10에서 20큐빗을 가진 시스템을 만들었다. 이들 시스템이 할 수 있는 일은 많지 않았다.

그러나 구글의 양자컴퓨터 팀을 이끄는 하무트 네벤은 1년 안에 49큐빗 시스템을 만들 계획이라고 말한다. 50큐빗이라는 숫자는 임의의 숫자가 아니다.

이 숫자는 메모리와 통신대역이 기하급수적으로 증가하는 양자컴퓨터의 특성 때문에 기존 컴퓨터로는 더 이상 이를 시뮬레이션 할 수 없게 되는 현상을 의미하는 양자 우위(quantum supremacy)가 일어나는 숫자다.

지금 우리가 가진 슈퍼컴퓨터로 5큐빗이나 20큐빗 양자컴퓨터가 할 수 있는 일은 가능하지만, 50큐빗 양자 컴퓨터를 시뮬레이션 하는 것은 물리적으로 불가능하다.

나와 이야기한 모든 학계와 기업의 양자역학 연구자들은 30개에서 100개 사이의 큐빗으로 컴퓨터를 만들 수 있다면, 특히 충분히 긴 시간 동안 안정된 상태를 유지하며 다양한 계산을 할 수 있다면, 상업적인 가치가 있다는 데 의견을 같이 했다.

이르면 2년에서 5년 사이에 그런 양자 컴퓨터가 시장에 등장할 것이다.

언젠가는 분자의 운동을 정밀하게 예측해 새로운 물질과 신약을 발견할 수 있다.

이를 통해 재료과학, 화학, 제약 산업을 완전히 바꿀 10만개의 큐빗을 가진 양자컴퓨터가 등장할 수도 있다.

백만 개의 큐빗으로 이루어진 양자컴퓨터가 어떤 일을 할 수 있을지는 상상조차 되지 않는다. 네벤은 ‘10년 안에’ 우리가 그 답을 알게 될 것이라고 말한다.

<본 기사는 테크M 제48호(2017년 4월) 기사입니다>