구글 등 빅테크는 양자컴퓨터가 기후 변화, 코로나19와 같은 인류의 당면 과제를 해결하는 도구가 될 것으로 예상한다. 예를 들어 효율성이 큰 배터리를 만들거나 탄소 배출 없이 비료를 만들 수 있는 기술, 그리고 코로나와 같은 전염병에 대응할 수 있는 의약품을 개발하는 일 등에 활용할 수 있다고 본다.

에릭 루세로(Erik Lucero) 구글 엔지니어는 “고전적인 컴퓨터를 이용해 자연의 분자를 시뮬레이션하기는 어렵다. 새로운 유형의 컴퓨터가 그래서 필요하다”며 “자연은 양자 역학이다. 양자컴퓨터는 현실 세계의 분자 복잡성(complexity)을 분석하고, 분자가 어떻게 행동하고 상호작용하는지 시뮬레이션하고, 오류를 지속적으로 수정하는 방식으로 활용할 수 있다”라고 설명했다. 그러면서 “이런 기능이 새로운 AI 아키텍처를 비롯해 더 나은 배터리, 에너지 효율이 높은 비료, 특정 전염병을 타깃으로 한 의약품을 개발하는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이런 특성 때문에 미국을 비롯한 각국은 양자컴퓨터 개발에 매달리고 있다. 미국이 기술을 주도하고, 일본, 중국, 인도, 한국 등이 개발에 속도를 내고 있다. 신용평가기관인 스탠더드 앤 푸어스(S&P) 글로벌 마켓 인텔리전스가 지난 3월 발표한 보고서에 따르면 전 세계 정부기관의 양자컴퓨터 투자 계획 규모는 42억 달러에 달했다. 양자컴퓨터는 제조업, 제약업, 그리고 국방산업에까지 활용될 것으로 보인다.

양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 모든 것을 더 빨리 수행할 수는 없다. 하지만, 큰 영향을 미칠 분야는 아래와 같다.

• 양자 시뮬레이션
양자컴퓨터는 다른 양자 시스템을 모델링하는 데 적합하다. 즉, 기존 컴퓨터에 과부하를 일으킬 수 있는 양자 시스템의 복잡성과 모호성을 처리할 수 있다. 모델링할 수 있는 양자 시스템의 예로 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 광합성, 전기 저항 없이 전류를 흐르게 하는 초전도성, 복잡한 분자 형성 등이 있다.

• 암호화
현재 인터넷에서 데이터를 안전하게 보내기 위해 사용하는 암호 시스템에는 RSA(Rivest-Shamir-Adleman) 알고리즘이 쓰인다. 방식은 소인수 분해 또는 이산로그와 같은 다루기 힘든 문제를 활용해 암호화하는 식이다. 그러나 양자컴퓨터는 이러한 문제 그리고 그 문제로 만들어진 암호 중 다수를 풀 수 있다.

양자 컴퓨팅은 암호 해독에만 쓰이는 것이 아니라 양자 방식으로 암호를 만드는 데도 쓰일 수 있다. 양자암호 역시 양자역학의 특별한 현상을 이용한다. 해커가 중간에 양자 암호키를 측정하거나 정보를 관측하려 하면 양자 상태에 변화가 생긴다. 양자 상태가 변했다는 것은 암호가 변한다는 말이다. 해킹할 수 없는 암호가 만들어지는 것이다.

• 최적화
최적화는 원하는 결과와 제약 조건을 고려해 문제에 대한 최상의 솔루션을 찾는 프로세스다. 과학 및 산업 분야에서는 비용, 품질, 생산 시간과 같은 요소를 기반으로 중요한 결정을 내리는데 양자컴퓨터로 이 모두를 최적화할 수 있다. 기존 컴퓨터에서 양자 유도 최적화 알고리즘을 실행해 전에는 불가능했던 솔루션을 찾을 수 있으며, 이를 통해 교통 흐름, 비행기 게이트 할당, 패키지 배달, 에너지 스토리지와 같은 복잡한 시스템을 관리하는 더 나은 방법을 찾을 수 있다.

• 양자 머신 러닝
기존 컴퓨터의 머신 러닝은 과학과 비즈니스의 세계를 혁신적으로 변화시켰다. 그러나 머신 러닝 모델을 학습시키려면 비용이 많이 든다. 이로 인해 이 분야의 개발이 더 이상 진척되지 못했다. 이 영역에서 진행 속도를 높이기 위해 마이크로소프트는 더 빠른 머신 러닝을 가능하게 하는 양자 소프트웨어를 개발하고 있다.

미국과 중국 등 주요 선진국은 오래전부터 양자기술에 눈독을 들였다. 미국은 국가 차원 연구 지원을 위해 2018년 12월 국가양자연구집중지원법(National Quantum Initiative Act)을 통과시켰다. 또 2020년부터 5년에 걸쳐 인공지능과 양자컴퓨팅의 연구센터 설립 및 연구 지원에 10억 달러를 투자했다.

중국은 이미 2017년부터 100억 달러를 투자해 양자 시스템을 연구해 왔으며 이에 앞선 2016년 11월에는 중국 안후이성 허페이시에 70억 위안을 들여 중국과학원(中国科学院) ‘양자정보 및 양자과학기술혁신연구원’(量子信息与量子科技创新研究院)을 설립하고, 중국 최초의 통합형 양자 실험실을 건설했다. 또한 시진핑 주석 지시로 2018년부터 1천억 위안(약 17조 5천억 원)을 투자해 양자컴퓨터를 개발하고 있으며, 2021년 10월 66큐빗 양자컴퓨터 ‘주충즈(祖冲之)2호’ 개발에 성공했다.

양자기술은 나라 간에 공유하지 않는 전략기술이다. 양자기술 보유 여부는 국가 안보와 직결되기 때문이다. 미중이 양자 전쟁을 벌이는 것도 이런 이유다. 이 분야는 한국이 잘하는 패스트 팔로워 전략이 통하지 않을 수 있다. 이미 뒤처진 상태에서 잘하는 나라를 보고 따라하는 것은 너무 늦다.

현재 양자컴퓨터와 관련된 회사는 전 세계적으로 200여 개에 달한다. 구글, IBM 등 빅테크 기업을 비롯해 D-웨이브 시스템(D-Wave Systems), 리게티 컴퓨팅(Rigetti Com-puting), 아이온큐(IonQ), 그리고 퀀텀 컴퓨팅(Quantum Computing) 등 기업의 주식이 시장에서 거래되고 있다.

우선 구글과 IBM이 양자컴퓨터 분야에서 앞서가고 있다. 알파벳의 구글은 지난 2019년 시커모어라고 불리는 양자컴퓨터를 개발했다고 주장하면서 업계의 주목을 받았다. 2의 50 제곱 규모의 정보를 연산할 수 있는 ‘50 큐빗’은 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 기준점으로 여겨지는데, 시카모어는 54 큐빗의 양자컴퓨터이다. 구글은 시커모어로 이전에 1만 년이 걸렸던 연산을 단 수백 초에 작업할 수 있다고 주장했다. 현재 구글은 100 큐빗 양자컴퓨터를 구축한 상태다.

구글은 캘리포니아주 산타바바라에 퀀텀 AI 캠퍼스를 구축하고, 양자컴퓨터 상용화에 나선 상태다. 100여 명의 직원이 20여 대의 양자컴퓨터를 업그레이드하는 연구를 진행 중이다. 오는 2029년에는 상업용 양자컴퓨터를 구축할 수 있을 것으로 내다봤다.

아마존웹서비스(AWS)는 2021년 캘리포니아에 새로운 양자컴퓨팅 센터를 열었다. 로스앤젤레스 패서디나 캘리포니아공과대학 내에 위치한 양자컴퓨팅 센터는 약 1,950㎡ 규모의 2층 건물이다. 캘리포니아공과대학과 협력해 지난 2년 동안 건설했다. 양자컴퓨팅 센터 건설에 참여한 캘리포니아공과대학 연구원은 기술팀으로 양자컴퓨터 연구에 지속 참여한다.

AWS 양자컴퓨팅 센터의 목표는 시스템 일부가 작동을 멈춰도 시스템을 계속 작동시킬 수 있는 내결함성 양자컴퓨터를 구축하는 것이다. 현재 양자컴퓨터는 빛 등 외부 자극에 민감한 양자를 이용하는 만큼 오류율이 높은데 양자컴퓨터를 상용화하려면 특정 수준까지 오류율을 낮춰야 한다. AWS는 오류율을 낮추기 위해 양자를 방해하는 요소를 완전히 차단하는 소재를 만들어 둘러 쌓는 방식을 시도하고 있다. 그리고 두 번째로 프로세서에서 발생하는 오류를 보정하는 아키텍처를 적용하는 방식의 내결함성 기능을 탑재해 오류를 감지하고 수정한다.