인류는 자연을 이해하기 위해 끊임없이 새로운 도구를 개발해 왔습니다. 고전 물리학으로 설명할 수 없었던 미시 세계의 현상들은 양자역학이라는 새로운 패러다임을 낳았고, 이제 그 원리를 활용한 양자 컴퓨터가 현실이 되고 있습니다. 엔비디아 CEO 젠슨 황이 GTC에서 최초로 양자 데이 행사를 열며 업계를 뒤흔들었고, IBM과 구글 같은 글로벌 기업들은 이미 상용화 단계에 진입했습니다. 하지만 기술적 한계와 보안 우려도 여전히 존재합니다.
큐비트가 여는 새로운 연산의 세계
양자 컴퓨터의 핵심은 큐비트(Quantum Bit)입니다. 기존 컴퓨터가 0과 1의 이진법으로 작동한다면, 양자 컴퓨터는 0이면서 동시에 1인 중첩 상태를 활용합니다. 이는 단순한 속도 향상이 아니라 완전히 다른 차원의 연산 방식입니다. 복잡한 미로에서 출구를 찾을 때 기존 컴퓨터는 경로를 하나씩 시도하지만, 양자 컴퓨터는 수많은 경로를 동시에 계산합니다.
IBM은 초전도 재료를 이용해 156개의 큐비트를 탑재한 양자칩 QPU를 개발했습니다. 이 칩은 극저온 환경에서만 작동하기 때문에 헬륨 가스를 이용한 냉각 시스템이 필수적입니다. 반면 하버드와 MIT 연구진이 협력한 기업은 중성원자를 레이저로 제어하는 방식으로 256 큐비트 시스템을 클라우드 형태로 공개했습니다. 초전도체, 중성원자, 이온, 광자 등 다양한 플랫폼이 경쟁하는 양자 컴퓨터 춘추전국시대가 열렸습니다.
큐비트 40개만 있어도 약 1조 배의 연산 능력을 발휘할 수 있습니다. 현재 슈퍼컴퓨터로 150억 년이 걸리는 문제를 양자 컴퓨터는 하루에서 한 달 내로 풀 수 있습니다. 이는 암 치료를 위한 단백질 기능 억제 약물 개발, 실시간 임상 데이터 분석, 기후위기 대응 등 인류가 직면한 난제 해결의 가능성을 의미합니다. 국내에서도 연세대학교가 127 큐비트 양자 컴퓨터를 설치해 신약 개발과 신소재 연구에 활용하고 있으며, 중성원자 원천 기술 개발로 상용화에 한 발 다가섰습니다.
하지만 기술적 과제도 만만치 않습니다. 양자 컴퓨터는 아주 작은 소음이나 진동에도 오류가 발생하기 쉽습니다. 콜로라도의 지하 200m 갱도에 연구소를 세운 이유도 외부 환경과의 철저한 차단이 필요하기 때문입니다. 큐비트 개수를 늘리는 것만큼이나 중요한 것이 큐비트를 얼마나 잘 제어하고 측정할 수 있느냐 하는 능력입니다. 측정 기술은 이미 세계적 수준에 도달했지만, 양자 연산 활용 연구는 여전히 개발 중입니다.
오류정정 기술의 혁신적 돌파구
양자 컴퓨터 상용화의 최대 난관은 오류 정정이었습니다. 큐비트는 중첩 상태를 유지해야 하는데, 오류를 확인하는 순간 그 상태가 깨지는 딜레마가 있었습니다. 구글은 지난해 말 윌로우(Willow)라는 양자칩을 통해 획기적인 오류 정정 기술을 선보였습니다. 큐비트를 추가할수록 서로를 보호하는 방식으로 일종의 중복성을 시스템에 부여해 양자 정보를 보존하는 기술입니다.
이는 30년 넘게 양자 컴퓨팅 분야가 고민해온 문제의 해결을 의미합니다. 윌로우는 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간이 걸릴 계산을 극히 짧은 시간에 처리할 수 있음을 입증했습니다. 오류율을 몇 단계나 낮춘 105 큐비트가 함께 작동하면서 실제 산업에 적용 가능한 수준으로 발전한 것입니다. 전문가들은 신약 개발 같은 어려운 문제를 획기적으로 풀기 위해서는 만 큐비트 수준의 오류 보정 능력이 필요하다고 말합니다.
오류 정정 기술의 발전과 함께 양자 컴퓨터를 제어하고 판독하는 장비 개발도 활발합니다. 국내 벤처 기업들은 다양한 양자 컴퓨팅 플랫폼에 사용할 제어 장치와 측정 장비를 만들고 있습니다. 빛의 도착 시간 차이를 정밀하게 측정해 연산의 정확성과 속도를 높이는 핵심 장비들입니다. 현재는 큐비트를 제어하기 위해 여러 장비가 필요하지만, 향후 룸 온도 전자기기를 칩 기반 솔루션으로 통합하면 비용과 에너지를 크게 줄일 수 있습니다.
한 벤처 기업은 150시간 이상 걸렸던 분자 해석을 양자 컴퓨터로 10분 내외에 해내는 알고리즘을 선보였습니다. 단순해 보이는 분자도 CPU 개수로 따지면 수천에서 수만 개에 달하는데, 양자 컴퓨터는 이를 훨씬 저렴하고 빠르게 처리합니다. 전문가들은 2~3년 내 산업화가 가능할 것으로 전망합니다. 양자 컴퓨터 상용화는 새로운 생태계를 창출할 것이며, 운영체제, 애플리케이션, 클라우드, 시스템, 데이터센터 등 관련 산업 전반이 혁신될 것입니다.
암호체계 붕괴와 양자 내성 암호의 필요성
양자 컴퓨터의 초월적 연산 능력은 현재의 암호 체계를 무너뜨릴 수 있습니다. RSA 같은 현행 암호화 프로토콜은 거의 모든 온라인 거래에 사용되는데, 양자 컴퓨터가 본격화되면 무력화될 위험이 있습니다. 미국에서는 'harvest now, decode later' 전략이 회자되고 있습니다. 지금 암호화된 정보를 훔쳐서 보관하다가 양자 컴퓨터가 나오면 그때 해독하겠다는 것입니다. 10년 후를 내다보는 전략입니다.
지난 4월 유럽을 덮친 대규모 정전 사태는 시사하는 바가 큽니다. 양자 기술로 기존 암호 체계가 무력화된다면 이런 일은 언제든 반복될 수 있습니다. 금융업계가 가장 민감하게 반응하는 이유도 여기에 있습니다. 각국은 양자 내성 암호 도입을 서두르고 있습니다. 양자 컴퓨터가 등장해도 깨지지 않는 새로운 암호 체계를 개발하는 것이 시급한 과제가 되었습니다.
미국은 2018년부터 법안을 제정해 양자 기술에 대한 투자를 전방위적으로 확대했습니다. 국가 안보 차원에서 양자 기술의 파급력을 인식했기 때문입니다. 중국도 정부 차원의 대규모 육성에 나섰습니다. 세계 최대 규모의 양자 연구 시설과 산업 클러스터를 조성했고, 양자거리에는 관련 기업들이 밀집해 있습니다. 양자 기술 특허 수만 봐도 중국의 강력한 존재감이 드러납니다.
미·중 간 기술 패권 경쟁은 양자 분야에서도 치열합니다. 미국이 1등이라면 중국은 1등보다 힘이 센 2등이라는 평가가 나옵니다. 중국은 집중 투자로 정해진 목표를 빠르게 달성하는 강점이 있습니다. 올 3월 105큐비트 시제품 개발에 성공했고, AI와 로봇 기술 분야에서 미국을 거의 따라잡았다는 평가를 받습니다. 한국도 양자 기술을 전략 기술로 정의하고 국산화에 나섰습니다. 반도체 클러스터 구축 경험을 바탕으로 제조 강국으로서의 경쟁력을 살릴 수 있습니다.
양자 기술은 기회이자 위기입니다. 국가, 기업, 개인 모두에게 해당되는 이야기입니다. 기술 개발 속도를 보면 예측하기 어려울 만큼 빠르게 현실화되고 있습니다. 콜로라도 광산대학은 2010년대 중반부터 양자 분야에 집중해 2020년 양자공학 대학원 프로그램을 신설했습니다. 학생들은 클린룸과 극저온 장치, 과학 장비를 다루며 실무 역량을 키웁니다. 양자 생태계의 기반을 넓히려면 생물학자, 재료과학자, 응용 분야 전문가 등 다양한 인재가 필요합니다.
결론
양자 컴퓨터는 이미 상용화에 들어섰고, 새로운 컴퓨터 생태계를 창출하고 있습니다. 양자 기술을 누가 더 빠르게 개발하느냐도 중요하지만, 더 중요한 것은 이 기술을 어떻게 안전하고 공정하게 활용할 것인가에 대한 사회적 합의입니다. 신약 개발과 기후위기 대응 같은 인류의 난제를 해결할 수 있다는 기대와 함께, 암호 체계 붕괴 같은 보안 문제에 대한 현실적 대비가 필요합니다. 기술의 진보가 인류 전체에 혜택이 되려면 윤리적 기준과 국제적 협력이 뒷받침되어야 합니다.
[출처]
영상 제목/채널명: https://www.youtube.com/watch?v=irEaqRDe7Uk