몇 년 동안 기업들은 양자컴퓨터 개발을 위해 많은 돈을 투자해 왔다. 이제 그 투자 성과가 나타나기 시작했다. BY ROBERT HACKETT

소프트웨어 개발자들이 콘퍼런스 콜에서 “양자 컴퓨터가 현재의 슈퍼컴퓨터를 계승할 것이다. 이 화제의 컴퓨터가 마술처럼 작동할 수 있도록 노력하고 있다”고 밝혔다. 그들은 이 실험적인 기기가 단순한 형태의 막대기와 줄무늬 모양(Bars and StripesㆍBAS)을 얼마나 잘 그릴 수 있는지 확인하고 있었다.

연구팀이 몇 개의 소프트웨어 코드를 입력한 후, 레게 머리를 한 과학자가 덴버 외곽의 연구실에서 컴퓨터를 작동시키기 위해 버튼을 눌렀다. 그러자 레이저 빛이 그 기기에서 ‘전자기파’를 발생시키며, 컴퓨터의 두뇌 역할을 하는 진공관 내부의 원자를 움직이게 만들었다.

기업 고객들이 양자컴퓨터에서 사용할 알고리즘을 만드는 일을 돕는 스타트업인 자파타 컴퓨팅 Zapata Computing의 엔지니어들이 그 테스트를 진행하고 있다. 이 회사는 산업재 대기업 허니웰이 소유한 양자컴퓨터를 임대해 사용하고 있다(허니웰은 양자컴퓨터를 거대한 사업 기회로 보고 있다).

이런 필수적인 기술의 개발에는 수 년간의 고된 노력이 필요하다. 최근 그런 노력이 성과를 내기 시작했다. 허니웰의 양자컴퓨터를 사용하려는 기업들의 예약이 몇 개월간 꽉 차있다. 허니웰의 CEO 다리우스 아담칙 Darius Adamczyk은 "당신이 가지고 있는 모든 혁신적인 기술이 얼마나 대단한지 떠들어댈 수 있다. 하지만 아무도 그 기술을 사용하는데 돈을 기꺼이 지불하지 않는다면, 그 기술은 얼마나 가치 있는 걸까?"라고 반문했다.

대략 6개 기업들이 양자컴퓨터 개발에 진지하게 임하고 있다. 예를 들어 구글, IBM, 인텔, 그리고 리제티 Rigetti, 이온큐 IonQ 같은 신생기업들이 있다. 이들은 중요한 새로운 국면에 진입하고 있다. 고객들이 줄을 서서 그들의 기계를 사용하기 위해 돈을 지불하고 있는 것이다.

양자컴퓨터는 여전히 오늘날의 기본적인 데스크톱 컴퓨터보다 훨씬 뒤 떨어져있다. 하지만 그 실험적인 기기는 고객들에게 무한한 가능성을 맛보게 해주고 있다. 관건은 앞으로 양자컴퓨터의 기능이 충분히 개선, 다른 어떤 종류의 컴퓨터보다 더 낮은 비용으로 더 나은 결과를 도출할 수 있느냐는 것이다.

양자컴퓨터는 소위 큐비트 Qubits 또는 ‘퀀텀 비트’라는 생소하고, 강력한 물리학적 특성을 이용하도록 설계되어 있다. ‘양자중첩(Superposition)’이나 ‘양자얽힘(Entanglement)’ 같은 특성이 ‘간섭(Interference)’과 결합할 때, 심지어 최첨단 슈퍼컴퓨터 등의 다른 방법으로는 풀기 힘든 과학과 산업의 문제들을 해결할 수 있는 잠재력을 갖고 있다.

전문가들은 “양자컴퓨터의 완성에는 10년 이상의 시간이 걸릴 것”이라고 예상한다. 하지만 그러는 동안, 현재 구축되고 있는 양자컴퓨터가 IBM이 언급하는 것처럼 “양자 이점(Quantum Advantage)'이라는 우위를 제공할 수 있을 것이다. 일부 시나리오대로 진행된다면, 이르면 2023년부터는 그렇게 될 수 있다.

양자컴퓨터 산업은 현재 매출 측면에서 미미하지만, 시간이 지남에 따라 매우 크게 성장할 수 있다. 리서치 회사 트랙티카 Tractica에 따르면, 전체 양자컴퓨터 임대 시장은 현재 2억 6,000만 달러에서 2030년 90억 달러 규모로 증가할 것으로 예상된다.

그러나 진정한 가치는 양자 기술이 창출할 잠재적인 비즈니스 기회에 있다. 이런 이유로, 그리고 중국 같은 경쟁국들에 뒤처질 것을 우려한 연방정부는 작년 8월 민간기업과 동반으로 이러한 초기 산업에 10억 달러를 투자할 것을 약속했다.

주요 IT 기업들은 이미 양자 우위를 놓고 경쟁 중이다. 그리고 일찍 시작한 기업들이 점점 더 많은 고객들을 확보하고 있다. 예를 들어 IBM은 기업, 학계, 정부에 걸쳐 130곳 이상의 고객사를 보유하고 있다. IBM의 연구 책임자 다리오 길 Dario Gil은 "어떤 사람들은 ‘양자 컴퓨터가 언제 진정한 산업으로 성장할까?' 또는 상업용 양자 컴퓨터는 언제 시작될까?'라고 묻는다. 이에 대한 답을 하자면, 그것은 이미 시작됐다"고 강조한다(필자는 작년 9월 ‘정신 산만한 과학자’가 사용할 법한 그의 연구소를 방문했다).

클라우드 컴퓨팅 강자들이 이런 트렌드에 편승하고 있다. 마이크로소프트가 자체적으로 혁신적인 양자컴퓨터 개발을 진행 중이다. 이 회사는 자사 클라우딩 서비스 애저 Azure 고객들 가운데 일부를 선정, 작년 5월부터 다른 파트너 회사의 양자컴퓨터를 원격으로 이용할 수 있도록 하고 있다. 회사의 줄리 러브 Julie Love 양자컴퓨터 사업 총괄 책임자는 "우리는 이 기술을 실제로 접근 가능하게 만들고, 채택 장벽을 낮추고 있다"고 설명한다.

아마존은 작년 8월 자사의 클라우딩 서비스 아마존 웹 서비스를 이용하는 모든 고객들에게 양자 컴퓨터를 개방했다. 마이크로소프트와 마찬가지로, 파트너의 양자컴퓨터를 이용하도록 한 이번 조치로 인해, 누구나 쉽게 접근할 수 있게 됐다.

대형 IT 기업들 중 한 곳인 구글은 작년 가을 '퀀텀 우위(Quantum Supremacy)'를 달성했다고 주장해 큰 관심을 모았다. 이 용어는 양자컴퓨터가 특화된 기능에서 기존 슈퍼컴퓨터의 성능을 앞지르는 것을 뜻한다. 비록 마이크로소프트의 주장은 경쟁사 IBM에 의해 반박 당했다. 하지만 그 선언은 초기 단계의 산업에서 사업 주도권을 두고, 기업들의 기술 경쟁을 부추기는 계기가 됐다.

최근 구글은 12 큐비트 양자 컴퓨터를 사용, 수소와 질소 원자를 포함하는 화학 반응을 테스트 했다. 이는 과학저널 ‘사이언스’의 표지를 장식할 정도로 역사상 가장 뛰어난 성과로 평가받았다. 이전의 기록 보유자는 IBM이었다. 회사는 3년 전, 6 큐비트 기기에 절반 크기의 분자를 모델링한 바 있다(더 많은 큐비트는 더 정교한 모델링을 의미한다).

일반적으로 그런 데이터 분석(Data Crunching) 테스트를 지속하다 보면, 언젠가는 배터리와 탄소 포집 기술도 향상될 수 있을 것이다. 폭스바겐(구글과 파트너십), 엑손 모빌(IBM과 파트너십), 다임러(구글과 IBM 모두와 파트너십) 같은 기업들이 이 양자 기술에 상당한 관심을 갖는 이유이기도 하다.

작년 초, 다크호스인 허니웰은 자체 기술로 양자컴퓨터 사업에 뛰어들어 많은 사람들을 놀라게 했다. 회사는 양자컴퓨터의 심장에 구글과 IBM이 선호하는 특수 설계 초냉각 실리콘 칩을 넣는 대신, 레이저 유도 원자를 넣는 다른 방식의 하드웨어를 사용하고 있다.

허니웰은 최근 고객 리스트를 공개했다. 여기에는 JP모건 체이스, 독일의 물류 대기업 DHL, 제약 대기업 머크 등이 포함돼 있다. 머크의 컴퓨터 플랫폼 책임자 캠 차나 Kam Chana는 “우리 회사는 더 적은 비용으로 더 새롭고 더 효과적인 약을 생산하고자 한다. 아울러 약을 더 효율적으로 배포할 수 있도록 초기 단계의 R&D에서부터 양자컴퓨터를 활용하려고 한다”고 설명했다.

JP모건의 ‘미래 연구실’을 이끌고 있는 마르코 피스토이아 Marco Pistoia는 “양자컴퓨터가 은행의 주요 관심사인 리스크 분석 능력을 더욱 강화할 수 있을 것”이라고 말한다. 골드만 삭스, 웰스 파고, 비자 등도 복잡한 금융 파생상품의 가격 책정과 사이버 보안 강화를 위해 이 기술을 연구하고 있다.

IBM에서 양자컴퓨터의 응용 총괄하는 스테판 워너 Stefan Woerner는 “양자컴퓨터가 더 스마트한 차량 라우팅, 그리고 투자 포트폴리오의 안전한 관리에 활용될 가능성이 높다. 아울러 의학적으로 매우 중요하고, 복잡한 바이오 분야인 단백질 접힘을 더 잘 이해하도록 도울 것”이라고 설명한다. 

양자컴퓨터가 막대기와 줄무늬의 단순한 패턴을 그리는 능력을 테스트하고 있는 자파타 팀은 허니웰의 컴퓨터에서 최종 결과를 받기 위해선 몇 시간을 기다려야 한다. 양자컴퓨터가 초기 단계인 만큼, 처리 속도가 인내하기 힘들 정도로 느리기 때문이다. 마침내 최종 결과를 받은 그들은 그것을 가장 이상적인 결과와 비교한다. 이런 비교를 통해 새로운 양자 기술이 머신 러닝의 기술적 한계를 파악하게 된다. 지금까지의 결과는? 그 막대기와 줄무늬의 단순한 패턴은 자파타 팀이 기대했던 것만큼 완벽에 가까웠다.

오늘날 단순하고 느리지만 이러한 테스트 덕분에, 궁극적으로 더 나은 기술들이 탄생할 것이다. 일례로, MRI 스캔으로 금융 사기를 탐지하거나, 질병을 진단하는 것이 가능해질 것이다. 한편, 양자컴퓨터는 오류가 발생되는 경향이 있다. 이러한 오류를 파악하고, 해결하는 것이 업계의 최우선 과제다.

그러나 자파타의 최고 경영자 크리스 사부이 Chris Savoie는 “현재의 단점에도 불구하고, 양자컴퓨터는 분명히 실질적인 가치를 제공할 것”이라고 강조한다. 그리고 그럴 날이 곧 다가올 것이다. "만약 여러분이 지금 준비하지 않고, 이런 시도를 하지 않는다면, 당신은 나중에 뒤처질 것이다.”

▲양자 컴퓨터 전문용어들

많은 미래지향 분야들과 마찬가지로, 양자컴퓨터의 용어들은 복잡하고 어렵다. 숙지해야 할 일부 주요 용어를 소개한다.

-큐비트(Qubits)

큐비트는 성경에서 길이를 재는 기준인 큐비트(Cubit)와 다르지만, 발음은 동일하다. 큐비트는 ‘퀀텀 비트’의 약자이다. 기존 컴퓨터에서 사용되는 비트(Bit)의 업그레이드 버전이라고 생각하면 된다. 원자, 광자 또는 기타 물질로 구성된 이 물질들은 양자컴퓨터의 기하급수적인 잠재력의 기초가 된다.

-중첩(Superposition)

기존의 비트 또는 ‘이진 숫자’는 ‘0’과 ‘1’이라는 두 가지 숫자를 포함하고 있는 반면, 큐비트는 0과 1 사이에 어떤 숫자라도 존재한다고 가정할 수 있다. 특이하게도 큐비트는 아무도 보지 않을 때만 이 상태를 유지할 수 있다.

-얽힘(Entanglement)

중첩의 이런 특성은 큐비트의 운명이 서로 다른 큐비트의 운명에 의존하는 ‘공유 상태’를 보여준다. 양자컴퓨터 제조업체들은 언젠가는 얽힘을 이용, 컴퓨터에서 놀랍도록 빠른 병렬 처리 성능을 달성할 수 있기를 바라고 있다.

-노이즈(Noisy)

오늘날의 양자컴퓨터는 그 자체로 큰 소음을 내지 않지만, 오류가 발생되는 경향이 있다. 과학적인 용어로 이를 ‘잡음이 난다(Noisy)’라고 한다. 이는 부분적으로 큐비트가 매우 민감하기 때문이다. 심지어 비스듬하게 굴절되는 광자처럼 가장 가벼운 장애에도 민감하게 반응한다.

-양자 우위(Quantum supremacy)

이론적으로 대단한 성과를 의미한다. 기존 컴퓨터로 합리적인 시간 내에 복제할 수 없는 계산을 수행하는 양자 컴퓨터를 뜻한다. 구글은 작년에 양자 우위를 달성했다고 주장했다. 하지만 IBM은 그런 주장을 반박했다.

▲양자 컴퓨터의 주도권 싸움

초기 양자 컴퓨터 시장에서 주도권 싸움이 치열하게 벌어지고 있다. 일부 주요 기업들을 소개한다.

-구글
지난해 이 거대 검색 회사는 "양자 우위라는 중요한 이정표를 달성했다”고 발표했다. 하지만 그 후 양자 컴퓨터 개발 부서에서 일부 우수한 직원들이 퇴사했다.

-IBM
IBM(Big Blue)이 이 새로운 비즈니스 컴퓨터 분야에서 선두 주자 중 하나로 떠올랐다. 회사는 최근 새로운 목표를 설정했다. 즉 2030년까지 현재 이용 가능한 어떠한 컴퓨터보다 더 강력한 100만 큐비트 컴퓨터를 만드는 것이다.

-허니웰
이 산업재 대기업의 ‘트랩 이온 양자 컴퓨터’는 IBM과 구글이 추구하는 초전도 큐비트 컴퓨터와는 다른 것이다.

-마이크로소프트

이 회사의 양자 컴퓨터 개발은 지지부진하다. 작년 3월에야 클라우드 컴퓨팅 고객들이 다른 파트너사의 양자 컴퓨터에 접근할 수 있는 서비스를 제공하기 시작했다.

-알리바바

이 중국 회사는 지난 2018년 알리윤 Aliyun 사업부를 통해, 12 큐비트 양자 컴퓨터의 이용 서비스를 제공하기 시작했다. 미국 정책입안자들은 양자 컴퓨터 개발에서 중국이 앞서나가고 있다는 점에서 경각심을 갖고 있다.