올해 초 소비자 가전 전시회(Consumer Electronics Show, CES)에서 가장 큰 관심사는 최신 스마트폰, 웨어러블 기기 또는 자율주행 기술이 아니라 양자 컴퓨팅 기술이었다.

이 기술은 양자 물리학 분야의 알버트 아인슈타인 (Albert Einstein)이 ‘먼 거리의 괴이한 작동’에 기반해 전례없는 컴퓨팅이 가능하다.

양자 컴퓨팅은 신종 코로나 바이러스 전염병, 기후 문제 등 전 세계적 문제를 해결하는 데 잠재적으로 활용되기 시작했다. 이 잠재력은 현실로 나타나고 있다. 관련 업체는 IBM 외에도 Google, Microsoft, D-Wave, Regetti 등이 있다.

시장 조사 기관인 IDC는 2023년까지 ‘포춘(Fortune) 500’ 기업 중 25 %가 양자 컴퓨팅을 통해 경쟁 우위를 확보하려 할 것으로 전망했다.

IDC 최근 보고서(Quantum Computing Adoption Trends : 2020 Survey Findings)에서 520명의 IT 및 LOB (Line-of-Business) 전문가들은 향후 18-24개월 내에 양자 컴퓨팅 예산 및 구현이 증가할 것으로 답했다. 응답자 절반은 2019년 양자 컴퓨팅에 할당된 자금이 연간 IT 인프라의 0 ~ 2 %를 차지했지만 향후 24 개월 동안 7 ~ 10 %를 차지할 것이라고 보고했다. 직원이 1만 명 이상인 회사의 경우 지출 증가가 더욱 급격히 증가한다. 응답자의 절반 이상이 향후 2년간 양자 기술에 9 %에서 14 %를 지출할 것이다.

IDC 설문 조사 응답자의 65 %가 클라우드 기반 양자 컴퓨팅 사용을 계획하고 45 %가 양자 알고리즘(시뮬레이션, 최적화, AI 기계학습 및 딥러닝 포함)을 사용하거나 계획하고 있다 . IDC 조사에 따르면 양자 네트워크 (44 %), 하이브리드 양자 컴퓨팅 (40 %) 및 양자 암호화 (33 %)가 상위 5 위를 차지했다.

IDC 보고서에 따르면 초기 초점 영역은 AI, 비즈니스 인텔리전스 및 전반적인 생산성 및 효율성이다.

양자 컴퓨터의 활용은 보안 및 데이터 전송 등 실험 단계이며 제조 및 금융과 같은 분야에서는 프로세스 최적화 방법 개발 등에 중점을두고 있다. IDC는 복잡한 기술, 스킬 셋 제한, 가용 리소스 부족, 비용, 보안, 공급 업체 간의 데이터 전송을 채택의 장벽으로 인용한다. 양자 기술 이니셔티브를 지원할 공급 업체 선정관련 IDC 설문 조사에서 구글은 응답자 중 37 %, 32 %는 마이크로소프트, 27%는 IBM, 23%는 인텔을 선정했다.

양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅을 기존 컴퓨팅보다 강력하게 만드는 것은 바이너리 비트 (1 또는 0)에 의존하는 양자 컴퓨팅이 큐비트(Qubits)를 사용한다는 것이다. 큐비트는 많은 수의 결과를 처리하는 중첩으로 알려진 1과 0의 많은 가능한 조합으로 동시에 존재할 수 있기 때문에 더 많은 데이터를 처리 할 수 있다.

중첩 외에도 얽힘 상태(entangled) 큐비트는 양자 컴퓨터를 강력하게 만든다. 소의 아인슈타인이 말한 “괴이한 한 행동”이다. 고전적인 컴퓨팅에서는 비트 수를 두 배로 늘리면 컴퓨팅 성능의 두 배가 된다. 그러나 얽힘으로 인해 더 많은 큐비트를 추가하면 처리 능력이 기하 급수적, 또는 이중 지수적으로 늘어난다.

반면 이 양자 상태의 연약한 특성은 나쁜 소식이다. IBM 피조라토에 따르면 큐비트는 예측할 수 없으며 환경 소음 및 오류에 취약하다. 오류가 발생한 후 1 또는 0의 이진 상태로 돌아가므로 오류없이 계산이 오래 실행 될수 있어야 한다. 하지만 온도나 진동의 약간의 변동은 ‘결풀림(decoherence)’을 유발할 수 있다. 그리고 큐비트가 분리되면 계산이 실패해 다시 실행해야한다. 이런 이유로 양자 컴퓨터는 절대영도에 가까운 외부 방해를 차단한 환경에서 수행된다.

양자 우위

IBM QStart의 이사 케티 피조라토(Katie Pizzolato)는 10년 안에 퀀텀 컴퓨팅이 실현될 것으로 본다.

DC 보고서의 저자 중 한 명인 피터 루튼(Peter Rutten)은 알고리즘과 응용 프로그램 개발에는 양자 컴퓨팅에 관심이있는 개발자, 물리학 배경이있는 개발자 및 고성능 컴퓨팅 작업을 하는 개발자 등이 참여할 수 있다.

구글, IBM 등은 양자 이점(quantum advantage, 전통적인 컴퓨팅보다 프로그램을 더 빨리 해결할 수있는 지점)과 양자 우위(quantum supremacy, 양자 컴퓨팅이 기존의 컴퓨터가 아닌 프로그램을 해결할 때 해결할 수 있다)을 달성한다는 입장에서 혼란스러워하는 것으로 보인다.

실제로 IBM은 최근 53큐비트 컴퓨터로 양자 우월성을 달성한다는 구글의 주장을 공개적으로 반박했다. 연구원들은 구글이 슈퍼 컴퓨터의 자원을 완전히 평가하지 못했다고 지난 10 월 IBM 리서치 블로그에서 밝혔다.

IBM 양자 컴퓨팅 블로그는 “양자 시스템 구축은 과학과 공학의 위업이며 벤치마킹은 큰 과제다…Google의 실험은 초전도 기반 양자 컴퓨팅의 진보를 보여주는 훌륭한 상태다. 53 큐 비트 장치의 최첨단 게이트 충실도이지만, 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 “우위”라는 증거로 간주되어서는 안된다”고 지적했다.

IBM 등 업계는 향후 양자 발전이 개발자 커뮤니티 및 기술 파트너십 필요성을 강조한다. 현 상황에서는 누구도 연구개발 혁신이 어디서 나타날지 모르기 때문이다.