구글·아마존·MS 뛰어든 ‘양자컴’은 도대체 뭔가요?

[AI요약] 구글에 이어 마이크로소프트와 아마존까지 자체 양자 컴퓨팅 칩 개발에 뛰어들었다. 빅테크도 양자 칩 개발이 특히 어려운 이유는 외부 세계와의 상호 작용으로 내부의 섬세한 양자 상태가 파괴될수 있어, 실제 큐비트 자체를 구축하고 정보를 입출력하는 것이 매우 어렵기 때문이다. 그럼에도 불구하고 우리는 왜 양자 컴퓨터 개발에 매달리는 것일까.

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양자 컴퓨팅 칩이 이토록 중요한 이유는 무엇일까.

구글과 마이크로소프트(MS) 등 빅테크 뛰어든 양자 컴퓨팅 칩 개발 현황과 전망에 대해 와이어드, CNBC 등 외신이 27일(현지시간) 보도했다.

MS가 지난주 최초로 자체 개발한 위상초전도체를 사용한 양자 컴퓨팅 칩 ‘마요라나1’(Majorana1)을 개발했다고 밝힌지 일주일 만에 아마존은 최초의 자체 양자 칩 ‘오셀롯’(Ocelot)을 공개했다. 구글도 지난해 자체 개발한 양자 칩 ‘윌로우’(Willow)를 공개한바 있다.

기술업계는 양자컴이 기존 컴퓨터로는 해결할수 없는 문제를 해결할수 있을 것으로 기대하고 있다. PC와 휴대전화는 켜지거나 꺼진 비트로 계산을 실행하고 데이터를 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 두 가지 상태에서 동시에 작동할 수 있는 양자비트 또는 큐비트로 작동한다.

MS 연구팀은 물질의 이색적인 상태에 정보를 저장하는 장치에서 최초의 위상 큐비트를 개발했다고 발표했는데, 이는 양자 컴퓨팅에 있어 중요한 돌파구가 될수 있다.

마요나라1 프로세서의 설계는 최대 100만 큐비트를 수용할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 암호코드를 해독하고 새로운 약물과 재료를 더 빠르게 설계하는 것과 같은 양자 컴퓨팅의 많은 중요한 목표 실현을 도와줄 것으로 기대되고 있다.

MS의 주장이 사실이라면, 이 기업은 현재 양자컴 구축 경쟁에서 선두를 달리고 있는 IBM과 구글과 같은 경쟁자들을 앞지르는 것도 가능해진다.

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그렇다면 위상 큐비트란 무엇이고, 큐비트란 무엇일까. 그리고 왜 우리는 양자 컴퓨터를 원하고 있을까.

양자비트는 만들기 어렵다. 양자 컴퓨터는 1980년대에 처음 구상됐는데, 앞서 언급했든 일반 컴퓨터가 정보를 비트로 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 정보를 양자비트, 즉 큐비트로 저장한다.

일반 비트는 0 또는 1의 값을 가질 수 있지만, 양자비트는 매우 작은 입자를 지배하는 양자 역학의 법칙 덕분으로 두 가지의 조합을 가질수 있다. 일반 비트를 위나 아래를 가리킬수 있는 화살표로 상상한다면, 큐비트는 어느 방향이든 가리킬 수 있는 화살표 또는 위아래의 ‘중첩’으로 표시할수 있다.

이는 양자 컴퓨터가 특정 종류의 계산, 특히 코드 풀기와 자연 시스템 시뮬레이션과 관련된 계산의 경우 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르다는 것을 의미한다.

그러나 실제 큐비트를 구축하고 정보를 입출력하는 것은 매우 어려운 것으로 알려졌는데, 이는 외부 세계와의 상호 작용으로 내부의 섬세한 양자 상태가 파괴될수 있기 때문이다. 지금까지 연구자들은 전기장에 갇힌 원자나 초전도체에서 소용돌이치는 전류 에디와 같은 것을 사용해 큐비트를 만드는 다양한 기술을 시도했다.

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MS는 위상 큐비트를 구축하기 위해 매우 다른 접근 방식을 취했다. MS 연구팀은 1937년 이탈리아 물리학자 에토레 마요라나가 처음으로 이론화한 마요라나 입자라고 하는 것을 사용했다.

마요라나는 전자나 양성자와 같은 자연적으로 발생하는 입자가 아니며, 위상 초전도체라는 희귀한 종류의 물질 내부에만 존재한다. 이를 위해서는 고급 재료 설계가 필요하고 매우 낮은 온도로 냉각해야 한다.

MS 연구팀이 이처럼 힘든 접근 방식을 선택한 이유는 이론적으로 마요라나 입자를 사용해 만든 양자 컴퓨터는 다른 설계를 괴롭히는 큐비트 오류가 전혀 없을수 있기 때문이다. MS가 마요라나 개발에 시간과 리소스를 투자함으로써 경쟁사들을 빠르게 따라잡을 가능성이 생겼다.

문제는 어디에나 함정은 있다는 것이다. MS에서 발표한 것과 같은 마요나라 기반 양자 컴퓨터의 경우에도 T-게이트(T-gate)라고 알려진 한 가지 작업은 오류 없이 달성할 수 없는 것으로 나타났다.

따라서 마요나라 기반 양자 칩은 ‘거의 오류가 없다’라고 해야 더 정확할 것이다. 다만 T-게이트 오류를 수정하는 것은 다른 양자 플랫폼의 일반적인 오류 수정보다 훨씬 간단한 것으로 알려진다.

미국방위고등연구계획국(DARPA)이 20년 동안 양자 컴퓨팅 연구에 자금을 지원했지만, 이 기술이 소비자와 기업에 도달하는 시간이 매우 더딘 이유는 시장이 아직 충분히 크지 않기 때문이다. 구글의 윌로우는 105개가 존재하며 아마존의 오셀롯도 9개에 불과하다.

젠슨 황 엔비디아 CEO는 “유용한 양자 컴퓨터는 최대 30년 후에나 나올수 있을 것”이라고 1월에 진행된 분석과들과의 회의를 통해 관측했다.

마크 저커버그 메타 CEO 역시 “양자 컴퓨팅 전문가는 아니지만, 대부분 양자컴이 실현 가능하기 까지는 최소 10년은 걸릴 것”이라고 내다봤다.

류정민 기자

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