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[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 1980년대 개인용 컴퓨터(PC)가 대중화되기 시작했을 때부터 '꿈의 기술'로 통했던 양자 컴퓨팅의 상용화가 성큼 다가왔다.

첨단 물리학과 컴퓨터 과학의 만남인 양자컴퓨팅 경쟁에 결승선이 보이기 시작했다고 영국 파이낸셜타임스(FT)가 보도했다. 빅테크를 주축으로 연이은 기술적 돌파구가 이뤄졌고, 지금까지 실험실을 벗어나지 못했던 기술을 상용 시스템으로 도입할 날이 멀지 않았다는 얘기다.

IBM(IBM)은 지난 6월 이전 설계에서 빠진 핵심 구성 요소들을 채운 양자 컴퓨터의 청사진을 발표하고, 본격적인 상용화의 가능성이 명료해졌다고 밝혔다. 업체의 양자 이니셔티브 책임자인 제이 갬베타는 "양자 컴퓨터는 더 이상 꿈이 아니다"라며 "2030년까지 이를 실현할 것"이라고 말했다.

앞서 구글에 이어 또 한 차례 2030년 양자 컴퓨터 실현 가능성이 제기된 셈이다. 지난해 말 구글은 기술적인 난제들 가운데 한 가지를 해결하고 2030년까지 산업 규모의 양자 컴퓨터 구축이 가능하다고 밝혀 IT 업계와 월가의 시선을 끌었다.

구글의 퀀텀 AI 하드웨어 책임자인 줄리안 켈리는 나머지 모든 엔지니어링과 과학적 과제들이 2030년까지 극복 가능하다고 자신했다.

구글의 양자 컴퓨팅 연구 현장 [사진=업체 제공]

업계 전문가들은 양자 컴퓨터가 산업 규모에 도달하려면 양자 머신의 기본 구성 요소인 큐비트(qubit)가 200개 미만에서 100만개 이상으로 확장돼야 한다고 말한다.

양자 컴퓨터의 상용화를 가장 어렵게 하는 대목은 큐비트의 본질적인 불안정성이다. 유용한 계산을 수행할 수 있는 양자 상태를 단 몇 초의 지극히 작은 단위 시간 동안만 유지할 수 있다는 얘기다.

더 많은 수의 큐비트가 추가될수록 비간섭성, 즉 '노이즈'를 야기한다는 의미로 해석된다. 확장 한계에 대한 극명한 사례가 다름아닌 IBM으로, 실험용 콘도르 칩의 수를 433개로 늘렸을 때 구성 요소들 간에 '크로스 토크(cross talk)'라고 지칭하는 간섭이 발생한 것.

IBM의 양자컴퓨터 냉각 시스템 [사진=업체 제공]

이런 식으로 큐비트 수를 늘려 쌓아 올리면 통제할 수 없는 문제가 발생할 수 있다며 업계에서 우려의 목소리를 냈지만 IBM 측은 콘도르 칩에서 발생한 간섭을 예상했고, 큐비트를 연결하는 새로운 유형의 커플러로 전환해 일정 부분 문제를 해결할 수 있다고 주장했다.

관련 업체들은 오류 정정(error correction)이라는 기법을 통해 시스템이 어느 정도 큐비트의 불안정성을 견딜 수 있다고 말한다. 이는 여러 큐비트 간에 데이터를 복사해 개별 구성 요소가 실패할 때를 대비한 중복성을 만드는 형태로 작동한다.

최근까지는 구글이 유일하게 오류 정정을 수행할 수 있는 양자 칩을 시연했다. 하지만 IT 업체들은 구글에 견줄만한 성과를 내지 못한 상태로 확장 시도를 늦추지 않는 모습이다.

IBM의 경우 대규모 시스템을 운영할 수 있다는 사실을 보여주는 데 목표를 두고 있다고 밝히고, 구글의 오류 정정 접근법이 실제 상용 시스템에서 작동할 것인가에 대해 의문을 제시했다.

구글이 사용하는 이른바 표면 코드(surface code)라는 기법은 각 큐비트를 2차원 격자에서 가장 가까운 이웃들과 연결하는 방식으로 작동하는데, 이는 상당히 많은 수의 큐비트가 함께 작동하는 데 의존하고, 유용한 계산을 수행하려면 100만개 이상의 큐비트에 도달해야 한다.

마이크로소프트는 100만 큐비트 머신을 구축하려는 시도에서 파생되는 다른 엔지니어링 과제가 너무 많다고 판단, 유사한 설계 추진을 포기하기로 결정했다고 밝힌 바 있다.

IBM은 구글보다 90% 적은 큐비트를 필요로 한다고 주장하는 저밀도 패리티 체크 코드(low-density parity-check code)라는 다른 형태의 오류 정정으로 전략을 수정했다. 하지만 이는 더 멀리 떨어진 큐비트들 간의 더 긴 연결에 의존하고, 때문에 오히려 기술적 난제들을 초래해 IBM을 뒤쳐지게 만들었다.

구글 측은 IBM의 기법이 이미 극도로 통제하기 어려운 시스템에 새로운 수준의 복잡성을 추가한다고 지적했지만 IBM은 지난 6월 처음으로 더 긴 연결체를 만드는 데 성공했다고 주장한 것.

가트너의 마크 호바트 애널리스트는 FT와 인터뷰에서 "IBM의 최신 설계에 대해 작동 가능한 대규모 머신을 생산할 가능성을 보여줬다"면서도 "이들의 접근법은 여전히 이론상으로만 존재한다"고 지적했다. 실제로 이 같은 기능을 수행할 칩을 제조할 수 있다는 것을 보여줘야 한다는 얘기다.

칩 설계 이외에도 기업들은 여러 가지 공통된 엔지니어링 과제들과 씨름하고 있다. 초기 양자 시스템 내부에서 발견되는 복잡한 배선을 줄이기 위해 대량의 구성 요소를 단일 칩으로 연결하는 새로운 방법을 찾는 일이 그 중 하나다.

여러 칩을 모듈로 연결하는 일도 풀어야 할 과제다. 또 극저온에서 작동하는 본격적인 시스템을 수용할 훨씬 더 크고 전문화된 냉장고도 필요할 전망이다.

구글과 IBM을 포함해 초전도체를 큐비트로 사용하는 시스템들이 가장 앞서 나가고 있지만 이들의 큐비트는 제어하기 더 어렵고 절대 영도에 가까운 온도에서 작동해야 한다.

포획 이온(trapped ion)과 중성 원자로 등 원자를 큐비트로 사용하는 경쟁 시스템들이나 광자를 사용하는 시스템들의 경우 본질적으로 더 안정적일 것으로 예상된다. 하지만 이들은 큐비트 클러스터들을 더 큰 시스템으로 연결하는 어려움과 느린 컴퓨팅 속도 등 다른 장애물을 만난 상태다.

확장을 시도하는 과정에 발생하는 비용과 기술적 과제들은 어떤 것이 더 실용적인 것인가를 보여줄 전망이다.

포획 이온을 다루는 영국 스타트업 유니버설 퀀텀의 세바스티안 바이트 최고경영자(CEO)는 이 시기 동안 어떤 기술을 지원할 것인가에 대한 정부의 결정이 투자를 끝까지 갈 수 있는 소수의 업체들로 압축시키는 결과를 가져올 것이라고 내다봤다.

미국 펜타곤의 첨단연구기관인 다르파(DARPA)는 승자를 가려내는 데 대한 공식적인 관심을 보여주는 단면에 해당한다. 다르파는 2024년부터 다양한 양자 컴퓨터 개발 기업들을 대상으로 광범위한 연구를 시작했고, 이를 통해 어떤 기업이 가장 빠르게 실용적인 규모에 도달할 것인가를 가려낸다는 계획이다.

최근 다수의 기업들이 더욱 통제 가능할 것이라고 주장하는 큐비트의 급진적인 새 설계들을 선보였다.

여기에는 아마존과 마이크로소프트가 포함된다. 이들 기업은 더욱 신뢰할 수 있는 구성 요소를 만들기 위해 물질의 상태를 정복했다고 주장한다. 이 같은 기술 역시 초기 단계에 해당하지만 이를 지지하는 전문가들은 양자 기술 가운데 앞서 나갈 가능성을 점친다.

수 년간 기존의 기법에 매달리는 기업들과 새로운 설계에 도전하는 기업들의 경쟁이 뜨겁게 달아오른 가운데 양자 컴퓨터 기술의 현실화가 속도를 내고 있다고 업계 전문가들은 말한다.

shhwang@newspim.com