BCG(Boston Consulting Group)는 양자 컴퓨팅에 관한 최근 보고서를 통해 100 명 이상의 전문가와 150개의 동료검토 논문을 토대로 3 ~5년 내에 처음으로 응용 프로그램을 볼 수 있을 것으로 보고했다. 양자컴퓨터가 인공지능(AI), 금융, 과학 분야 등 실용 계산에서 고전 컴퓨터를 능가하는 양자 우위(quantum supremacy) 가능성을 지적한 보고다.

또 향후 수십 년 동안 양자 컴퓨터로 인한 생산성 향상은 매년 4,500억 달러(540조 4,500억 원)에 달할 것이라고 전망했다.

구글, IBM, 캘리포니아에 본사를 둔 리게티(Rigetti)를 비롯한 여러 회사가 양자 우위 달성을 목표로 경쟁하고 있다. 양자우위란 처음으로 양자 컴퓨터가 최고의 기존 컴퓨터보다 우수한 성능을 보인 순간을 의미한다.

선두그룹 중 한곳인 구글은 최근 올 연말까지 양자우위 도달 가능성을 예고했다. 앞서 2017 년에도 비슷한 주장을 한바 있다. IBM, 아이온큐(IonQ), 리케티(Rigetti), 하버드대(Harvard University) 등 다른 여러 연구그룹도 곧 양자 우월주의를 달성 할 잠재력을 가지고 있다. 그룹은 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 나름의 접근 방식을 사용하고 있다. Google, IBM 및 리게티 등 다수는 초전도 회로를 사용해 양자 계산을 수행한다.

양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터 보다 훨씬 빠르게 특정 문제를 해결할 수 있다. 의약품 개발, 재료설계, 일기예보, 주식거래 등 인공지능(AI) 빅데이터 시대 막대한 컴퓨테이션에서 양자컴퓨터의 필요성이 요구된다. 물리학자들은 1980년대부터 연구에 몰두, 최근에는 작동하는 프로토타입을 만들었다.

대부분의 개발 업체들은 “범용 게이트(universal gate)”양자 컴퓨터를 구축하기 위해 노력하고 있다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 유사하지만 양자 비트 또는 큐비트(qubits)를 활용한다. 큐비트는 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)’을 활용한다. 0과 1의 디지털 비트와 함께 0과 1 값을 동시에 취할 수 있다.

이 양자 얽힘을 아인슈타인은 “먼 거리에서의 유령같은 행동(spooky action at a distance)”이라고 표현했다. 실현된다면 양자 컴퓨터는 전통적인 컴퓨터에서 수십억 년이 걸릴 계산을 단 몇 시간 만에 수행할 수 있다고 알려졌다. 현재 가장 큰 양자 컴퓨터는 약 20개의 초전도 큐비트를 가지고 있다. 차세대 칩, 양자 우위를 달성 할 것으로 예상되는 칩은 적어도 50개 이상이다.

하지만 현재 양자 컴퓨터에서 작동 할 수 있는 알고리즘은 그다지 유용하지 않다. 그럼에도 향후 실용 문제에 유용한 양자 컴퓨터로 이어질 수 있다. 실제로 1990년대 최초의 양자 알고리즘은 아무 유효성 없는 문제를 해결했다. 그러나 후속 알고리즘 (많은 수를 인수분해하기 위한 Shor알고리즘과 같은)의 개발에 적용 할 수 있었다.

미하일 루킨(Mikhail Lukin)이 이끄는 하버드대 연구팀은 루비듐 원자를 사용한다. 토폴로지컬 큐비트(topological qubits)를 포함하는 마이크로소프트의 접근법도 있다. 각 접근 방식에는 장단점이 있다. 초전도 양자 회로는 고체 상태의 물질로 만들어지는 이점이 있다. 기존의 제조 기술로 제작할 수 있으며 매우 빠른 게이트 작업을 수행한다. 그러나 초저온으로 냉각해야 하며 초전도 칩의 각 큐비트는 개별적으로 보정이 필요해 기술이 필요로 하는 수 천 큐비트 이상으로 기술을 확장하는 것이 어렵다.

미국 메릴랜드 주 칼리지 파크에 본사를 둔 양자 컴퓨팅 하드웨어 및 소프트웨어 회사 아이온큐(IonQ)는 범용 양자회로를 생성, 최적화, 실행하기 위해 폭획된 이온을 사용한다. 이온 트랩(Iron trap)은 강점과 약점이 있다. 개별 이온은 동일해 제조에 도움된다. 이온 트랩은 큐비트가 주변 노이즈 영향을 받기 전에 계산을 수행하는 데 더 많은 시간을 준다. 그러나 이온을 조작하는 데 사용 되는 게이트는 초전도 게이트보다 수천 배 더 느리다. 개별 이온은 원하지 않을 때 이동할 수 있다.

현재 초전도 양자 회로가 가장 빠르게 발전하고 있는 것처럼 보인다. 그러나 모든 접근 방식에는 심각한 엔지니어링 장벽이 있다. 전문가는 범용 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 트랜지스터와 유사한 발명품이 필요하다고 지적한다.

중요한 것은 내결함성 양자 컴퓨터를 만드는 것이다. 이 컴퓨터는 계산 과정에서 오류를 실시간으로 수정할 수 있으며 원칙적으로 오류가 없는 양자 계산이 가능하다. 그러나 컴퓨터가 실제로 계산을 수행하는 데 사용하는 각각의 논리적 큐비트에 대해 수천 개의 오류 수정 큐비트가 필요하다. 이것은 양자 컴퓨팅의 현재 기술을 훨씬 초과한다.

FIAS(Frankfurt Institute for Advanced Studies) 사빈 호젠펠더(Sabine Hossenfelder) 리서치 펠로우는 “유용한 물질, 예를 들어 새로운 물질의 화학적 성질을 계산하기 위해 수백만 큐비트가 필요할 것”이라며 “그러나 50 큐비트에서 수백만으로 확장하기는 쉽지 않다. 사실, 그 도전은 무서운 것이다…문제는 양자 시스템이 매우 취약하다. 양자 거동을 유지하기 위해 큐비트 칩은 부유 공기 분자를 제거하기 위해 진공 펌프가 장착된 밀폐된 상자에 넣어 지거나 절대 영도 이하로 냉각돼야 한다”고 이라고 영국 일간 가디언 기고에서 설명했다.