◆포춘500 산업 프로파일(기술업계): 매출 1조 4,000억 달러, 이익 2,296억 달러, 직원 수 275만 9,943명, 총 주주수익률(2008~2018년 연 평균) 18.7%

양자 컴퓨팅은 기업들이 공급망부터 기후 변화에 이르기까지 다양한 문제들을 해결하는데 도움을 줄 수 있다. 마침내 양자 컴퓨팅이 이론에서 실행으로 옮겨가고 있다. By ROBERT HACKETT

그것은 공학계의 놀라운 작품이자, 상상할 수 없는 연산력의 미래를 예고하는 것이었다. 그것은 또 쓰레기통과도 매우 비슷하다.

Q 시스템 원 Q System One은 양자 컴퓨터였다. 이 기계는 IBM 과학자들이 1년간—기준을 어떻게 잡느냐에 따라 수십 년이 될 수도 있다—노동력과 독창성을 쏟아 부은 결정체였다. 이들은 뉴욕 요크타운 하이츠 Yorktown Heights에 있는 새로운 미래지향적 연구소의 후미진 곳에서, 밀폐된 케이스를 종유석처럼 아래로 길게 조립했다. 그 흰색 냉각통은 알루미늄과 강철로 만든 9피트(약 2.7미터) 크기의 정사각형 프레임에 매달려 있었다. 가장 안쪽 공간에는 특별한 프로세서가 있었다. 이 프로세서의 ‘자손(후속 모델)’은 세계에서 가장 다루기 힘든 과학과 기업의 문제를 해결하는 데 도움을 줄 것이다. 이 특별한 컴퓨터 세대는 양자 비트를 뜻하는 ‘큐비트 Qubit/*역주: Quantum과 Bit의 합성어/’ 20개의 화력을 뽐냈다. 

이론상 그 기계는 믿기 힘들 정도로 인상적이었다. 큐비트는 정말 품질이 뛰어났고, 오류율도 상대적으로 낮았다. 이런 특징들은 양자 컴퓨터를 현실 문제 해결에 사용하는 연구에서 매우 중요한 장점으로 작용하고 있다. 물론 투박한 케이스로 덮인 그 기계의 외관을 직접 보면, 약간 실망스러울 수도 있다(작년 11월 한 회의에서 IBM의 지니 로메티 Ginni Romety CEO는 “쓰레기통” 같다고 평가했다). 하지만 과학자들은 그 외관을 근접 촬영이 가능할 정도로 업그레이드할 계획을 갖고 있었다. IBM은 런던의 부티크 디자이너를 고용, Q 시스템 외관을 반짝이고 검은 금속으로 감싸도록 했다. 그전에 이미 그 전체 기계는 고피온 Goppion—런던 타워에서 모나리자와 왕관 보석을 전시하는 것으로 유명한 밀라노 회사—이 디자인한 공기 및 온도 조절 붕규산 유리함 속에 보관돼 있었다.

IBM은 지난 1월 라스베이거스에서 열린 소비자 가전 전시회(CES)—보통 가상현실 헤드셋과 폴더블 스크린을 갖춘 휴대폰처럼 멋진 소비자 기기들이 첫 선을 보이는 공간이다—에서 그 창작물을 공개했다. 당시, 회사는 이미 정말 멋져 보이는 슈퍼컴퓨터를 보유하고 있었다. 하지만 언론과 대중의 관심은 양자 컴퓨터에 쏠렸다. MIT 테크놀로지 리뷰 MIT Technology Review는 ‘공상과학 블록버스터 영화에서 나오는 번쩍거리는 돌기둥 같다’고 표현했다. 더 버지 The Verge는 ‘미래에서 온 컴퓨터 같다’고 칭찬했다.

이 기술을 “매력 덩어리”로 부르는 IBM 연구소의 다리오 길 Dario Gil 소장은 "모든 사람이 양자 컴퓨터를 배경으로 셀카를 찍는다"고 말했다.

현재 이런 매력은 결과보단 희망에 근거한다. 양자 컴퓨터는 아직 상업적 가치를 크게 발휘할 수 없다. ‘유용성’ 측면에서 여전히 더디게 움직이고 있기 때문이다. 양자 컴퓨터를 그렇게 빠르고 강력하게 만드는 기술들이 그 기계의 반복적인 사용 과정에서, 오히려 불안정과 오류를 유발하기도 한다. 우리가 매일 사용하는 소위 고전적인 컴퓨터들에 비해 더욱 그렇다. IBM은 Q 시스템을 ‘상업적 사용을 위한 최초의 통합 양자 컴퓨팅 시스템’이라고 부른다. 하지만 이 경우에, ‘사용 (Use)’이라는 표현은 매우 추상적이다: 기업들은 현재 인터넷을 통해 IBM 시설의 양자 플랫폼에 접속해 실험을 수행하고, 기술이 성숙되기를 기다리면서 ‘상태를 점검(Kicking the Tires)’하는 정도의 ‘사용’만 하고 있다.

그럼에도 최근의 발전—요크타운 하이츠는 말할 것도 없고, 실리콘밸리에서 중국에 이르기까지—으로, 이 기술은 머지않아 ‘이론상 희망 목록(theoretical wish list)’에서 사라질 것이다. 많은 기업들도 그렇게 믿고 있다. 모든 업계의 기업들은 수 년 동안 그들을 좌절시킨 장애물을 극복하기 위해, 양자 컴퓨팅을 이용하기를 바라고 있다. 국가들 역시 자원을 총동원하고 있다. 언젠가, 이 양자 컴퓨터 분야가 경제력과 군사력 측면에서 세계를 ‘가진 자’와 ‘갖지 못한 자’로 나눌 수 있다. 따라서 그들은 이 분야의 우위를 차지하기 위해, 수십 억 달러의 연구비를 쏟아 붓고 있다. 트럼프 대통령의 최고 기술고문이자 미국 최고기술책임자로 지명된 마이클 크래시오스 Michael Kratsios는 “양자정보과학은 여전히 민간투자 유치의 초기 단계다. 하지만 연방 정부의 연구개발비가 가장 적절하게 쓰이는 분야라는 점은 확실하다"고 강조했다.

그 이유는 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨팅의 한계를 극복하는데 있어, 가장 큰 희망이 될 수 있기 때문이다. IT 산업의 원칙이 된 무어의 법칙 Moore’s law은 ‘마이크로칩이 탑재할 수 있는 트랜지스터 수가 증가함에 따라, 연산력은 2년마다 대략 두 배로 증가해야 한다’고 규정한다. 그러나 과학자들은 실리콘 칩에 트랜지스터를 더욱 촘촘하게 끼어 넣는 작업에 한계를 느끼고 있다. 길은 “모두가 ‘무어의 법칙 다음은 도대체 뭘까?’라는 의문을 갖는다”라고 설명한다. 그와 많은 다른 사람들은 양자 컴퓨팅이 특히 인공지능과 함께 해답을 제시할 것으로 생각한다.

중요한 테스트가 얼마 남지 않았다. 구글은 조만간 ‘최고의 양자 기술’에 도달할 것이라고 믿고 있다. 즉, 전통적인 컴퓨터보다 더 우월한 양자 컴퓨터를 깜짝 공개할 계획이다. 중국 과학자들도 비슷한 단계에 있다고 주장한다. 구글의 양자 연구를 이끄는 존 마르티니스 John Martinis는 "일단 그 기계가 공개되면, 기업과 전문가들은 그것을 단순히 미래의 전도유망한 기술로 보지 않을 것이다. 오히려 지금 당장 효과를 발휘하는 강력한 ‘무언가’라는 점을 깨닫게 될 것"이라고 설명한다.

아직 확실한 결과물이 없는 상황에서조차, ‘영토 점령’을 위한 싸움이 치열하게 진행 중이다. IBM은 구글, 인텔, 마이크로소프트, 그리고 많은 다른 IT 대기업들과 이 분야를 장악하기 위해 경쟁하고 있다. 이 기업들이 사람들에게 그들의 접근 방법이 옳다는 것을 확신시킬 수만 있다면, 더 많은 개발자들과 잠재 고객들, 시장 점유율을 확보할 것이다. 이 기업들 중 다수가 다른 컴퓨터 사용자들을 위해 ‘클라우드’에서 소프트웨어와 서비스를 임대하거나, 호스트하는 것은 우연이 아니다. 양자 기술의 획기적인 발전은 그들에게 잠재적으로 수익성 있는 또 다른 서비스를 제공할 전망이다.

마이크로소프트의 양자 비즈니스 개발 책임자 줄리 러브 Julie Love는 "고객들은 양자가 언제 오는지, 또 언제 내 사업에 적용되는지 많은 질문을 한다"며 “점점 더 '오늘'이라는 답변을 많이 하고 있다”고 전했다.

양자 컴퓨터는 단순히 또 하나의 초고속 컴퓨터가 아니기 때문에, 그 잠재력이 무궁무진하다: 완전히 새로운 종류의 ‘짐승’이 탄생하는 셈이다. 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터처럼 조합 가능한 모든 경우의 수를 대입해 보는 ‘무작위 대입 방법(Brute-Force)’에 따라 차례로 계산하지 않는다. 그것은 명상을 통해 열반에 도달한 승려처럼 모든 시나리오를 동시에 고려할 수 있다 /*역주: 양자 컴퓨터는 엄청난 경우의 수를 동시에 계산할 수 있다/.

양자 컴퓨터가 이론적으로 풀기에 적합한 문제를 이해하기 위해, 알프스에 서서 산꼭대기를 보는 것을 상상해 보라. 그리고 스스로에게 물어보라: 어떤 봉우리가 가장 높은가? 지평선을 한 번 훑어보면 답이 나온다(수세기의 역사를 가진 삼각법을 활용, 그 답을 확인할 수 있다). 이제 우리가 익숙한 표준 3차원보다 수천 차원 혹은 수십 만개의 우주를 상상해보자. 우주라는 변화무쌍하고, 혼란스러운 풍경에서 특정한 최소 지점이나 최대 지점을 발견하는 것은 사실상 불가능하다.

최근 더 많은 기업들이 마치 1,000차원의 알프스 산맥에 있는 것 같은 스스로를 발견한다. 확실히, 그들은 데이터 홍수에 빠져있다. 하지만 아무리 강력한 컴퓨터라 할지라도 일부 종류의 문제를 해결할 수 없다. 그것들이 너무 많은 종류의 데이터나 변수를 포함하고 있기 때문이다.

모든 것을 가능한 한 효율적으로 모든 사람에게 배송하려는 아마존을 생각해 보자. 그 노력을 ‘최적화’하려는 누군가는 라우팅과 물류, 재고, 날씨, 교통, 국내법, 그리고 우주가 그들에게 던지는 것과 같은 (난해하고 황당한) 수많은 질문들을 처리해야 한다. 인간과 전통적인 컴퓨터들은 가능한 최선의 방법으로, 그 혼란과 씨름한다: 양자 컴퓨터가 그 혼란을 잠재울 수 있다. 양자 컴퓨터 지지자들은 인공지능과 병행했을 때, 그 기술의 잠재력이 훨씬 더 커진다고 본다: 자기학습 기계가 더 많은 역할을 맡는 상황에서, 양자 컴퓨팅은 기계학습 과정을 가속화할 수 있다.

가능성이 무한대처럼 보이지만, 이 또한 검증되지 않았다. 이런 이유로 온갖 기술들이 양자 컴퓨터의 성능을 과장되게 부풀리고 있다. 하지만 그렇다고 해서, 그것이 기업들의 소프트웨어 개발을 가로막지는 못한다. 소위 ‘범용 양자 컴퓨터(Universal Quantum Computer)’라고 불리는 진짜 기계가 온라인에서 사용 가능해지는 시기 /*역주: IBM은 범용 양자 컴퓨터를 ‘클라우드’ 형식으로 상용화하겠다고 발표했다/에 맞춰, 그들도 준비를 해야 하기 때문이다.

제이피모건체이스와 골드만삭스는 투자 포트폴리오의 리스크를 관리하기 위해, 양자 응용 기술을 탐구하고 있다. 다임러 메르세데스 벤츠는 이 기술을 전기차 배터리 성능을 높이기 위해, 사용하고 싶어한다. 제약업계의 거인 바이오젠 Biogen은 알츠하이머나 파킨슨병 같은 신경퇴행성 질환을 치료할 새로운 후보 약을 찾기 위해, 양자 주도(Quantum-Driven) 테스트를 실시했다. 왜 그렇게 많은 기업들이 급성장하는 시장에 엄청난 투자를 하는지 쉽게 알 수 있다. 그렇게 많은 잠재적 응용 분야를 가진 다른 유망한 기술이 없기 때문일 것이다.

엑손 모빌의 비제이 스워럽 Vijay Swarup 연구개발 담당 부사장은 “이제야 겨우 일층에 들어가고 있다"고 비유한다. 이 거대 에너지 기업은 Q 시스템의 화려한 데뷔에 맞춰, 1월 라스베이거스에서 IBM과 제휴를 발표했다. 스워럽의 회사는 환경 예측, 에너지 망(Energy Grid)의 최적화, 탄소 포집 기술 혁신에 응용할 계획이다. 그는 “양자 컴퓨팅 덕에, 이전에는 계산이 너무 어려워 할 수 없던 자연과 화학에 대한 세밀한 이해가 가능하다”고 설명한다.

양자 컴퓨터에 대한 아이디어는 적어도 1970년대부터 존재해 왔다. 오늘날 가장 낙관적인 양자 컴퓨터 과학자들은 장애물이 점점 더 공학적으로 연관돼 있다고 말할 것이다. 따라서 그들은 그 양자 컴퓨터를 어떻게 안정적으로, 그리고 대규모로 작동시킬 수 있는지 파악하기 위해 노력하고 있다. 구글의 퀀텀 사업부 소속의 페드람 루샨 Pedram Roushan은 "사람들은 여전히 양자역학의 원리에 어리둥절해 하고 있다. 하지만 그들은 그 기술과 공생하며, 어느 정도 활용하려 할 것"이라고 말한다.

1995년 당시 뉴저지 벨 연구소 수학자였던 피터 쇼 Bell Labs는 완벽한 기능을 갖춘 양자 컴퓨터가 놀라운 일을 할 수 있다는 점을 증명했다: 민간통신을 보호하는 인기 있는 RSA 암호 /*역주: 리베스트(RivestㆍR)와 샤미르(ShamirㆍS), 에이들먼(AdlemanㆍA.)이 1977년 공동개발한 암호 체계/를 깨트릴 수 있다는 것이었다. 그는 자신의 양자 알고리즘이 일반 컴퓨터로는 우주 나이만큼 걸릴 것을 몇 분 안에 풀 수 있다는 사실을 입증했다. 1년 후, 벨 연구소의 과학자 로브 그로버 Lov Grover는 일정한 체계가 없는 데이터베이스를 신속하게 검색할 수 있는 양자 알고리즘을 고안했다. 과학자들은 그 분야로 몰려들었고, 암호화 분야의 획기적인 돌파구는 하드웨어의 발전을 낳았다.

2000년대 중반, 예일대의 로버트 쇼엘코프 Robert Schoelkopf가 이끄는 연구팀이 오늘날 IT업계의 최대 희망이 된 양자 컴퓨팅에 대한 접근법을 고안했다(이 대학 실험실은 결국 경영진 및 과학자들과 함께 양자 분야의 토대를 마련했다). 그리고 쇼엘코프는 초냉각 실리콘과 전류를 이용, 마법을 부리는 이른바 ‘초전도 큐비트(Superconducting Qubit)’를 개척하는 데 일조했다. IBM의 기계는 쇼엘코프 연구소의 직계 후손인 셈이다. 차드 리게티 Chad Rigetti가 이끄는 캘리포니아 스타트업 리게티 컴퓨팅 Rigetti Computing은 올해 말 출시를 목표로 현재 128큐비트의 양자 컴퓨터를 포함, 비슷한 기계들을 제작하고 있다(리게티는 과거 IBM에서 양자 컴퓨팅에 중요한 역할을 했던 쇼엘코프 연구소 출신이다). 구글과 인텔도 이 기술에 기반을 두고 있다.

이 접근법이 큰 인기를 끄는 한 가지 이유는 수십 년 동안 발전해 온 반도체 산업을 기반으로 하기 때문이다. 이 큐비트들은 특별히 설계된 실리콘 장치 안에서 만들어진다. 또한, 얇은 절연 장벽에 의해 분리된 초전도 전극 사이에 흐르는 전류에 의해서도 생성된다(이는 초저온 냉각기 챔버에서만 작동한다. 이런 이유로, 가까운 미래에 양자 컴퓨터를 단지 이론상의 데스크톱이 아니라 실제 실험실과 데이터 센터에서 보게 될 것이다).

양자 컴퓨터를 작동시키는 사람이 어떤 명령어를 입력하면, 그들은 두 개의 큐비트를 서로 연결해 ‘얽힘(Entanglement)’이라 불리는 상태로 연결된다. 얽힌 하나의 큐비트에 무슨 일이 생기면, 그 짝은 즉각적으로 반응한다 /*역주: 큐비트 2개는 서로 얽혀 있다. 양자 컴퓨터에서는 하나의 큐비트 값을 확인하면, 나머지 한 개의 값은 자연스럽게 확인되는 구조다. 일일이 값을 확인할 필요가 없으니 처리 속도가 빠른 것이다/. 그런 큐비트들을 네트워크로 묶음으로써, 프로그래머는 동시에 엄청난 수의 작업을 의미하는 대규모 병렬운영(Parallel Operation)을 실행할 수 있다. 이것이 양자 컴퓨팅의 기하급수적인 속도를 가능하게 하는 것이다.

연관된 개념인 '중첩(Superposition)'은 양자 컴퓨팅의 또 다른 열쇠다. 고전적인 컴퓨팅의 구성 요소인 비트는 정보를 ‘0’과 ‘1’으로만 표현한다. 반면, 큐비트는 0과 1이 겹쳐 있어 0이 될 수도 1이 될 수도 있다. 마치 테이블 위에 (앞면이나 뒷면으로) 놓여있는 동전과, 테이블 가장자리에서 발레리나처럼 회전하는 동전의 차이라고 생각하면 된다 /*역주: 양자 컴퓨터는 회전하는 동전처럼 그 속도가 빠르고, 앞면과 뒷면이 붙어 있는 것 같은 상태라는 설명/. 이에 따른 결과로, 중첩은 큐비트가 일반 비트에 비해 방대한 양의 데이터를 저장할 수 있게 한다.

중첩과 얽힘 모두가 양자 컴퓨팅에 큰 동력을 제공한다. 즉, 복잡한 문제를 놀라운 속도로 해결하는 기억력을 증폭시켜 주는 것이다. 그런 속임수 같은 능력은 아무도 보지 않는 동안에 작동한다. 이는 양자 과학의 기이하지만, 근본적인 사실이다. 누군가가 그 시스템을 관찰하는 순간, 모든 것이 와해(Collapse)되면서 값이 정해진다. 값을 측정하려는 행동으로 큐비트들은 연속적으로 와해돼 최종값이 정해진다. 양자 컴퓨터의 계산이 옳고, 설계가 제대로 돼 있다고 가정해보자. 그렇다면 시스템은 가장 가능성이 높고, 가장 최적인 상태(해결책)에 근접할 것이다.

각 큐비트는 기학급수적인 힘을 더한다. 하지만 큐비트의 양이 증가함에 따라, 그 품질은 저하된다. 회전하는 동전의 경우처럼, 열이나 진동과 같은 가장 사소한 장애로 인해 시스템이 흔들릴 수 있다. 이에 따라 틀린 답이 나오는 오류가 생길 수 있다. 오늘날의 기계에서는 큐비트의 수가 증가함에 따라. 오류율도 증가한다. 실제로 일부 연구자들은 이런 기계들이 대규모로 작동하지 못하게 만드는, 아직 알려지지 않은 근본적인 법칙이 있을 수 있다고 우려한다. 예를 들어, 너무 높이 쌓으면 무너질 수 밖에 없도록 설계된 젠가 Jenga 타워처럼 말이다. 이스라엘 히브리대학의 길 칼라이 Gil Kalai 교수 같은 일부 회의론자들은 "분석 결과 양자 컴퓨터를 만들기 위한 노력은 실패할 것"이라고 지적한다.

이런 우려 때문에, IBM과 구글은 필사적으로 큐비트를 강화하고 오류율을 낮췄다는 점을 입증하려 한다. 그것은 또 왜 다른 과학자들이 더 나은 미래로의 가능성을 탐구하고 있는지를 설명한다.

메릴랜드대학의 물리학 교수 크리스 먼로 Chris Monroe는 2014년 2월 자신의 직업적 운명을 바꾼 낯선 이메일을 기억한다. 메일의 발신인은 만남을 원하는 한 투자자였다.

먼로는 그 달에 저명한 물리학 저널에 한 편의 논문을 발표했다. 특정한 장치가 양자 컴퓨팅의 발전을 어떻게 도울 수 있는지를 효과적으로 제시하는 내용이었다. 그 방문객이 먼로의 사무실에 나타났을 때, 그는 그 논문을 갖고 왔다. 그 논문을 허공에 흔들면서, 그는 “이것은 단순한 과학 논문이 아니었어요. 이건 사업 계획이에요!"라고 외쳤다.

그 투자자는 벤처캐피털 회사 뉴 엔터프라이즈 어소시에이츠 New Enterprise Associates(NEA)의 파트너 해리 웰러 Harry Weller였다(그는 쇼핑 사이트 그루폰과 다수의 소프트웨어 스타트업에 초기 투자한 전설적인 인물이었다). 미국 정보기관의 보조금으로 별 어려움 없이 학문적 연구를 해온 먼로는 처음에는 관심이 없었다. 하지만 결국 그는 기존 생각을 접고, 웰러의 자금지원 제안을 받아들였다. 그리고 2015년 이온큐 IonQ라는 회사를 설립했다(하지만 웰러는 2016년 사망했다).

이온큐는 먼로의 논문에서 설명한 ‘이온트랩 Ion-Trap’ 방식이라 불리는 양자 컴퓨팅에 대한 접근법을 연구하고 있다. 그것은 레이저 광선으로 이온을 조작하거나, 원자를 충전해 시스템에서 큐비트를 활성화하는 것이다. 이온 트랩 방식에서는 초전도 큐비트와 달리, 제어 신호를 기계로 보내기 위해 물리적인 와이어가 필요 없다. 먼로는 "이는 큐비트가 ‘소음’이나 오류의 원인이 되는 방해요소들로부터 더 잘 보호된다는 의미"라고 설명한다. 그들은 마치 자기부상 열차가 선로 위를 맴도는 것처럼 진공 쿠션에 매달려 앉아 있다. 구글 모기업 알파벳의 벤처캐피털 자회사 GV는 2017년 이온큐 투자사로 뉴 엔터프라이즈 어소시에이츠 벤처캐피털에 동참했다. 지난 5월, 회사는 아마존 프라임 Amazon Prime의 전 엔지니어링 책임자를 CEO로 선임했다.

이온 트랩 아이디어는 몇 가지 두드러진 변곡점을 거쳤다. 우선, 지난해 제조업계의 거인 허니웰 Honeywell이 수년 동안 비밀리에 작업해온 이온 트랩 접근 방식을 도입했다(먼로의 스타트업이 ‘인정’을 받는 중요한 순간이었다). 허니웰은 진공 시스템과 레이저 및 광학, 마이크로 전자공학 제작, 그리고 다른 분야에서의 전문지식이 ‘이온 트랩’이라는 새 분야에 전부 융합됐다는 점을 발견했다. 전문가 100명으로 구성된 허니웰 양자 연구팀을 이끄는 토니 어틀리 Tony Uttley는 "그런 것들을 모두 합치면, 양자컴퓨터를 만들 수 있다"고 설명한다.

이온 트랩 방식은 양자 컴퓨팅에 대한 6개 이상의 접근법 중 하나에 불과하다(‘양자 경쟁에서 이기는 7가지 방법’ 기사 참조). 그것은 희망적인 초기 결과를 도출했다. 물론 이런 초기 분야에서는, 한 기술의 성과를 다른 기술과 비교하는 것은 어렵다. 과학자들은 심지어 어디서부터 시작해야 하는지 의견이 분분하다. 그리고 어떤 접근법이 우세할지 예측하는 것도 시기상조다.

역사학도들에게, 트랜지스터는 교훈적인 은유를 제공한다. 1947년 발명된 이 장치는 계속 모든 현대 컴퓨터의 기반이 됐다. 하지만 당시 그 중요성의 정도를 예측할 수 있는 사람은 거의 없었다. 트랜지스터가 처음 출시됐을 때, 뉴욕 타임스는 46페이지의 한 구석에 아주 짧은 단신으로 다뤘다. 당시 컴퓨팅 분야의 선두 기술은 진공관과 전자계전기였다. 당신이 그때 우승자를 뽑았다면, 트랜지스터를 아예 무시했을지도 모른다.

이온 트랩 접근법을 공동 고안해 노벨상을 수상한 데이브 와인랜드 Dave Wineland는 이 문제를 다른 은유로 표현했다. "그건 마치 마라톤을 시작하는 것과 같다. 어쩌면 이온 트랩이 선두에 있을지도 모른다. 하지만 뒤에 바로 출발선이 보일 정도로, 약간 앞선 것에 불과하다."

점점 더 많은 기업들이 승자가 되기 위해, 5~10년을 기다릴 수 없다며 연구에 박차를 가하고 있다. IBM 및 구글과 양자 연구를 협력해온 다임러 메르세데스-벤츠는 그런 신봉자 중 하나다. 회사의 북미 R&D 사업부 혁신 책임자 벤 보저 Ben Boeser는 "현재의 컴퓨팅 능력으로는 달성할 수 없는 특정 시뮬레이션과 모델이 있다"고 말한다. 다임러는 운송 물류의 최적화와 차량 배터리의 화학 모델링을 위해, 양자 기술을 사용하기를 희망한다. 이런 계산은 오늘날 양자 컴퓨터에서는 불가능하다. 하지만 보저 팀은 몇 년 안에 가능할 것으로 기대한다. "거대 제조업체인 우리가 승부수를 띄우지 않는다면, 기술 파트너사들도 그런 실행 사례에 집중하지 않을 것이다. 이로 인해 결국 우리는 좋은 기회를 놓칠 것이다."

먼로는 "사람들은 지금 이런 문제들을 무시하고 있다. 우리가 그것을 수행할 수 있는 기계가 없기 때문"이라고 지적한다. 그는 결국 "사람들은 조금이라도 혜택이 있어야, 이런 양자 컴퓨팅에 대해 더 생각하기 시작할 것이다. 그렇게 되면, 그것은 눈덩이처럼 연쇄효과를 일으킬 것"이라고 전망한다.

이 기계들을 돌리기 위해 박사학위가 필요하진 않다. IBM은 2016년 이후 두 대의 양자 컴퓨터를 만들었다. 대중은 악보처럼 보이는 그래픽 인터페이스를 갖춘 웹사이트를 통해, 그것을 이용할 수 있다. IBM의 내부 및 외부 과학자들은 유사한 포털을 통해 실험을 하고 있다. 그들은 최적화 문제에 대한 접근법을 탐구하고 있다. 예를 들어, 어떤 종류의 질문을 할 수 있는지, 그리고 기술이 발전하면 그 질문들을 어떻게 표현할지를 알아내기 위해 노력하고 있다. 지난 3년간 12만 명이 IBM의 이른바 ‘양자 클라우드 서비스’를 이용했다. 그리고 1,000만 건 이상의 실험을 하고, 190건 이상의 연구 논문을 발표했다.

작년 12월 중순 IBM의 요크타운 하이츠 시설을 방문한 동안, 연구소 직원들은 시간 경과에 따른 세계 열 지도를 보여줬다. 그 지리적 신호는 어디서 누가 컴퓨터를 쓰고 있는지를 보여준다. 어디에서나 컴퓨터 열성애자들이 배우고, 코딩하고, 실험하고 있다. 예외적으로 명백한 이상 징후를 보이는 곳도 있다: 열 지도에서 중국은 그 규모와 영향, 그리고 기술에 대한 관심에도 불구하고, 놀랍게 어두운 상태를 유지하고 있다. 정확한 이유는 모르겠지만, 뭔가 있는 것 같다.

이 연구소의 다리오 길 소장은 세계의 반대편(중국)에서 양자 컴퓨팅에 관한 협업이 부족하다는 점을 인정한다. 그는 “중국인들은 정부 주도의 계획을 갖고 있으며, 미국 기업들과 협력하지 않고 있다. 최소한 IBM과는 그런 상태”라고 설명한다.

길의 말은 양자 경쟁이 상업적인(Commercial)것뿐만 아니라, 지정학적(Geopolitical) 측면이 있다는 점을 상기시킨다. 완전한 기능을 갖춘 범용 양자 컴퓨터를 최초로 구축한 국가는 인터넷 트래픽과 모든 종류의 데이터를 보호하는 암호화를 뚫을 수도 있다. 스파이들에게는 매우 유용한 도구다. 반대로 최첨단 기술을 가진 나라들 역시 도청을 방지할 수 있다. 이것은 지정학적 경쟁에서 분명한 이점이다.

2016년 중국 과학자들이 인공위성을 지구 저궤도로 발사하면서 경쟁이 가열됐다. 1년 안에, 그들은 중국의 고대 철학자의 이름을 딴 ‘묵자(Micius)’라는 별명을 가진 우주선을 이용했다. 소위 ‘양자 얽힘 입자’들을 머리 위 상공과 티벳 산맥 사이의 1,000km가 넘는 거리에서 성공적으로 전송한 것이다. 세계는 그 위업에 감탄했지만, 등골이 오싹하기도 했다. 한때 우주 경쟁에서 소련에 밀렸던 것처럼, 미국이 이 경쟁에서도 그렇게 빨리 선두를 잃은 것인가?

중국은 베이징과 상하이 사이에 매우 안전한 ‘퀀텀 키 Quantum Key’ 통신 라인을 가동했다. 2013년 이후, 중국인들은 양자 과학 논문을 미국인들보다 거의 500편 더 발표했다: 보스턴 컨설팅 그룹의 집계에 따르면, 그 숫자는 2,986 대 2,494이었다. 게다가, 중국 정부는 국가 양자 프로그램에 향후 5년간 100억 달러를 지출할 것으로 알려졌다. 오스트리아 물리학자 안톤 차일링거 Anton Zeilinger는 포춘과의 인터뷰에서 “양자 통신에 관해, 중국이 앞서 있다고 봐도 무방하다. 더욱이 그 격차가 작지 않다"고 지적한다. 그는 ‘묵자 원정단’을 이끈 과학자 판 지안웨이 Pan Jianwei의 스승이다.

미국 정치인들은 이런 상황을 간파했다. 2018년 말 연방정부의 최장기 폐쇄를 초래한 교착상태에 빠지기 직전, 의회는 거의 만장일치로 국가 퀀텀 이니셔티브 National Quantum Initiative'를 통과시켰다. 이 법안은 미국의 양자 전략을 개시하기 위해 10억 달러 이상의 자금을 승인했다. 또한, 주요 연구기관에 걸친 자금 지원 활동을 조정한다. 이 돈을 어떻게 사용할지는 아직 결정되지 않았다. 하지만 연방 기금의 투입은 기술에 대한 ‘신임 투표’ 성격일 뿐만 아니라, 자금이 절실한 연구소들에 강력한 동기를 부여한다.

많은 미국인들은 미국 기업과 대학, 과학자, 스타트업의 선구적인 업적을 고려하면, 중국이 우위에 있다는 생각에 동의하지 않는다. 크래시오스 미국 최고기술책임자 지명자는 “다른 나라들이 양자 과학에 엄청난 돈을 쏟아 붓고 있다. 뒤처져 있기 때문이다. 그들은 우리를 따라잡으려고 애쓰고 있다”고 설명한다. 스탠퍼드대학교 산하의 영향력 있는 ‘스탠퍼드 국제연구소(SRI Internationalㆍ이하 SRI)’에서 첨단 기술 부서를 이끄는 이론 물리학자 조 브로즈 Joe Broz는 “그 법안은 미국이 초기 산업을 육성하고, 기술 해외유출로 발생하는 피해를 예방할 수 있는 능력을 줄 것이다. 결국 그 기술은 우리에게 돌아오게 돼 있다”고 강조한다.

혁명에 앞서 일어나는 초기 단계의 기술처럼, 과장이 희망을 넘어설 위험은 항상 있다(인공 지능 분야에서 ‘엄동설한’이 빈번하게 닥치는 것을 봐라. AI 기술의 발전이 급격히 둔화됐을 때, 열정도 그랬다). 일부 과학자들은 제품 로드맵의 일정이 길어지거나 지연되면, 투자자들이 투자를 줄일 거라 우려한다. 가트너의 애널리스트 매튜 브리스 Matthew Brisse는 ‘기술개발이 바로 코 앞에 와 있다’고 주장한 10년 전 신문 헤드라인을 가리키며, "양자 컴퓨팅에는 항상 ‘5년밖에 안 남았다’라는 농담이 있다"고 전했다.

이번에는 다른 결과를 보여준다면, 그것은 그만큼 많은 기업들이 전력을 다하고 있기 때문일 것이다. SRI의 브로즈는 "우리 눈 앞에 새로운 산업이 구축되고 있다"며 "반도체 산업이 부상하던 1950~70년대 사람들이 느꼈을 심정을 이해할 수 있다"고 설명한다.

개발 일정과 관련, 인텔의 양자 하드웨어 책임자 짐 클라크 Jim Clarke는 인간을 달에 보내는 임무와 현대의 전자 컴퓨터 개발에 비유한다. 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 Sputnik는 1957년 발사됐다. 이어 닐 암스트롱 Neil Armstrong이 1969년 달에 착륙했다. 최초의 트랜지스터는 1947년 탄생했다. 최초의 집적회로는 1958년 선보였다. 클라크는 “이런 혁신적인 도약들은 일반적으로 10년 이상이 소요된다. 양자 컴퓨터도 다르지 않을 것”이라고 설명한다.

그는 "우리는 어떤 단기적이고 화려한 목표를 달성하려는 게 아니다. 달에 쏘아 올릴 그런 우주선을 만들려고 있다"고 강조한다. 어느 누구도 이 산업이 언제 도약할지 단정할 수 없다. 하지만 올해는 과학자들이 카운트다운을 시작할 수 있을 듯 하다.

◆퀀텀 경쟁에서 승리하는 7가지 방법: 양자 컴퓨팅이 효과를 발휘할 수 있게 하는 데에는 많은 방법들이 있다. 회사들이 지원하는 기술을 소개한다.

초전도(Superconducting) 특수 반도체 칩(절대 영점에 가깝게 냉각한다)을 통해 흐르는 전류를 사용, 양자 컴퓨터용 큐비트를 생성한다. 구글과 IBM, 인텔은 지금까지 가장 많이 사용된 이 방식을 추구하고 있다. 이온 트랩 Ion Trap은 충전된 원자(진공 상태에서 레이저로 조작한다)에 의존한다. 이는 오류를 일으키는 소음의 간섭을 줄이는 데 도움이 된다. 제조 대기업 허니웰은 이 기술에 베팅하고 있다. 알파벳의 지원을 받는 스타트업 이온큐도 마찬가지다.

중성 원자(Neutral Atom)는 독자들이 짐작하듯, 중성 원자를 사용한다는 점만 빼면 이온 트랩 방식과 비슷하다. 물리학자 미하일 루킨 Mikhail Lukin의 하버드 연구실이 이 분야의 선구자다. 어닐링 Annealing은 수학적 문제에 대한 가장 낮은 에너지(따라서 가장 빠른) 해결책을 찾도록 설계됐다. 캐나다 회사 디-웨이브 D-Wave는 이 아이디어를 기반으로 구글과 나사에 수백만 달러 상당의 기계를 팔았다. 그들은 빠르지만, 회의론자들은 그것들이 ‘양자’의 자격이 있는지 의문을 제기한다. 실리콘 스핀 Silicon Spin은 트랜지스터에 갇힌 단일 전자를 사용한다. 인텔은 더 오래된 초전도 큐비트, 그리고 동일하게 반도체 친화적인 좀 더 최신인 방법을 적절하게 섞어 사용한다. 토폴로지컬 TOPOLOGICAL은 ‘애니언 Anyon’이라 불리는 이색적이고 매우 안정적인 준입자를 사용한다. 마이크로소프트는 이 검증되지 않은 혁신적인 방법을 장기적으론 가장 좋은 후보로 보고 있다. 하지만 회사는 아직까지 단 한 개도 생산하지 못하고 있다. 포토닉스 Photonics는 특수 실리콘 칩을 통해 전송되는 빛 입자를 사용한다. 장점은 입자들이 서로 상호작용을 거의 하지 않는다는 것이다. 단점은 흩어지거나 사라질 수 있다는 것이다. 3년 전 비밀리에 설립된 스타트업 PSI 퀀텀 Psi Quantum이 이 아이디어를 기반으로 연구를 진행하고 있다.

◆양자 컴퓨터 활용: 기업들은 양자 컴퓨팅을 여러가지 복잡한 문제에 적용하길 원한다. 특히 아래 산업군이 간절히 바라고 있다.

-금융
은행업무와 투자는 모두 위험을 관리하는 것을 목표로 한다. 제이피모건 체이스와 골드만삭스 같은 월가 거물들은 양자 컴퓨팅이 비교우위를 제공하길 바라고 있다. 포트폴리오와 관련된 위협과 기회를 더 잘 관리할 수 있게 하자는 것이다. 양자 컴퓨터는 또한 금융 전문가들이 몬테 카를로 Monte Carlo 시뮬레이션—복잡한 의사결정 과정에 나올 수 있는 결과를 예측하기 위해 고안된 수학적 모델—을 개선하는 데 도움을 줄 수 있다. 종종 이 모델을 통해, 고객들은 은퇴 자금이 얼마나 지속될지 파악한다.

-에너지
양자 컴퓨터는 기후변화(세계에서 가장 복잡하고 예측하기 어려운 현상 중 하나다) 대처에 도움을 줄 수 있다. 지난 1월, 엑손 모빌은 IBM과의 제휴를 통해 다양한 응용 방법들—예측 환경 모델링 및 탄소 포집 기술을 포함한다—을 탐구했다. 다임러 메르세데스 벤츠는 전기차를 개선하기 위해, 양자 컴퓨팅을 이용해 새 형태의 배터리 화학물질을 시험하고 있다. 그리고 두바이 전기 및 수자원공사는 마이크로소프트와 협력해 에너지망 관리를 최적화하고 있다.

-의료
언젠가 당신은 건강을 ‘퀀텀 리프’에 의존할지도 모른다. 제약 대기업 바이오젠은 2017년 의료 분야에서 가장 복잡한 분야 중 하나인 분자 모델링을 목표로, 컨설팅업체 엑센추어 및 스타트업 원큐비트 1Qbit와 협업을 진행한 바 있다. 목표는 신경퇴행성 질환을 치료할 후보 약물을 찾는 것이다. 마이크로소프트는 케이스 웨스턴 리저브 대학 Case Western Reserve University과 협력, 소위 양자 유발 알고리즘을 이용해 암 검출을 돕는 MRI 기계의 정확도를 높이려 하고 있다.