양자컴퓨터 부각,

🎤 유레카뉴스

유엔은 2025년을 ‘세계 양자과학 및 기술의 해’로 지정했다. 1925년 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크가 양자역학의 기초를 정립한 지 100년 되는 해이기 때문. 1월 7일 라스베이거스에서 열린 세계 최대 가전·IT 박람회 ‘CES 25’에서는 양자 컴퓨팅 분야를 신설했다. 엔비디아 CEO 젠슨 황은 1월 8일 CES 2025에서 “매우 유용한 양자컴퓨터가 나올 시기에 대해 15년이라고 하면 너무 빠를 것이고, 30년이라고 하면 너무 늦을 것이다. 하지만 20년이라고 하면 많은 사람들이 믿을 것”이라고 발언하면서 양자컴퓨터에 대한 대중적 관심이 높아졌다.

양자역학 이론에 기반한 양자컴퓨터(양자컴)는 일반인이 이해하기 매우 어려운 개념이다. 양자컴은 얽힘^[1]이나 중첩^[2] 같은 양자역학적 현상을 활용해 기존 컴퓨터나 슈퍼컴퓨터가 해결할 수 없거나 빠르게 해결하기 어려운 복잡한 문제를 해결해준다. 물론 그렇다고 해서 양자컴이 고전 컴퓨터를 대체한다는 뜻은 아니다. 그보다는 특정 연산을 매우 우수하게 실행할 수 있다는 특장점이 있다. 

한편 구글은 2013년부터 양자컴 개발을 시작했다. 10년 내 상용화를 목표로 현재 오류 정정, 큐비트^[3]확장 기술을 고도화하면서 상용화를 향해 나아가고 있다. 한편 IBM Quantum은 2016년부터 상용 플랫폼을 운영하며 양자 생태계를 주도해왔다. IBM Quantum은 특정 양자컴 이름이 아니라, IBM이 추진 중인 양자컴퓨터 개발 전체 프로젝트와 브랜드 이름이다. IBM은 2029년까지 양자컴 구축을 목표로 하고 있다. 2024년 11월 구글과 엔비디아가 양자 분야에서 협력한다고 공식적으로 발표했다. 현재 양자컴의 앞날이 밝아 관련 분야에 투자금이 몰리는 상황이다. 본격적으로 상용화될 때까지 시간이 걸리지만 흐름에 주목할 필요는 있어 보인다. (2025년 1월)

🔎 뉴스 돋보기

양자컴퓨터가 뭐예요

일단 양자컴퓨터가 ‘양자’라는 특수한 물질을 쓰는 컴퓨터는 아니에요. 중첩이나 얽힘  같은 양자역학의 개념을 차용해서 만들어서 양자컴퓨터라고 불러요. 먼저 양자역학에 대해 짧게 설명하게요. 물질을 이루는 최소단위라고 하면 원자를 떠올릴 거예요. 원자는 중심에 있는 원자핵과 그 주위를 도는 전자로 이루어져 있고, 원자핵을 쪼개면 양성자, 중성자로 구분됩니다. 그런데 원자의 움직임, 특히 전자의 경우 어디에 있는지 어떻게 돌아다니는지 정확하게 파악하기 어려워요. 

그래서 과학자들은 이 미세한 세계를 설명하기 위해 양자역학이라는 새로운 법칙을 만들었어요. 양자역학에 따르면, 전자는 마치 행성처럼 원자핵을 정확하게 도는 게 아니라, 어디에 있을지 확률적으로만 알 수 있는 이상한 방식으로 존재합니다. 즉, 전자가 어디에 있는지는 확률로만 말할 수 있어요. 또 하나 신기한 건, 전자가 에너지를 얻으면 갑자기 다른 궤도로 옮겨가는데, 불연속적으로 움직여서 양자(quantum)라는 말이 붙었어요. 양자는 ‘딱 정해진 크기만큼의 에너지’를 뜻해요. 양자역학 덕분에 우리는 원자의 구조, 빛의 성질, 그리고 반도체와 스마트폰 같은 첨단 기술을 만들어낼 수 있는 것이죠. 

양자컴퓨터는 앞에서 양자역학의 개념을 차용했다고 했잖아요. 이는 어떤 의미일까요? 우리가 평소 사용하는 컴퓨터는 정보를 0 아니면 1, 두 가지 상태 중 하나로 저장하는 비트(bit) 단위를 사용해요. 그런데 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 단위를 사용하는데, 이 큐비트는 양자역학의 대표 개념인 중첩과 얽힘이라는 현상을 바탕으로 작동합니다. 중첩은 전자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있는 것처럼, 큐비트도 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 특성을 말해요. 그래서 큐비트 하나가 여러 계산을 동시에 처리할 수 있게 되죠. 그리고 얽힘은 두 입자가 서로 멀리 떨어져 있어도 상태가 연결되어 있는 현상이에요.

양자컴퓨터에서는 여러 큐비트들이 얽힘 상태로 연결되어 있어서, 서로 협력하면서 정보를 빠르게 계산할 수 있어요. 이처럼 양자컴퓨터는 우리가 눈으로 볼 수 없는 미시 세계의 ‘이상한 물리 법칙’을 실제 계산 도구로 삼는 컴퓨터예요. 그래서 어떤 문제를 풀 때, 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 빠르고 효율적으로 해낼 수 있는 가능성을 보여주고 있답니다.

기존 컴퓨터보다 빠르고 효율적이어서 만든 건가요

지금 우리가 쓰는 컴퓨터는 정말 똑똑하고 빠르죠. 하지만 과학자들이 연구를 하다 보니, 기존 컴퓨터로는 너무 느리거나 아예 풀 수 없는 문제들이 있다는 걸 알게 되었어요. 예를 들어, 아주 큰 수를 소인수분해하는 문제는 현재의 보안 시스템을 뚫는 데 관련되기 때문에 국가나 기업에서도 중요하게 다루는 주제예요. 또, 수천 가지의 선택지 중에서 최적의 조합을 찾아야 하는 문제, 예를 들면 전국에 흩어진 택배를 가장 빠르게 배달할 수 있는 경로를 계산하거나, 항공사의 좌석 배치를 효율적으로 설계하는 문제도 엄청난 계산을 요구하죠.

게다가 신약을 개발하거나 새로운 재료를 설계하는 데 필요한 분자 시뮬레이션은 분자 하나하나의 움직임과 결합 방식을 계산해야 해서, 기존 컴퓨터로는 너무 많은 시간이 걸립니다. 이런 문제들은 경우의 수가 너무 많아, 아무리 빠른 슈퍼컴퓨터라도 수백 년 이상 걸릴 수 있는 계산이에요. 이처럼 현실에서 꼭 풀어야 하는데, 기존 컴퓨터로는 도저히 감당할 수 없는 문제들이 점점 늘어나자, 과학자들이 개발한 게 양자컴퓨터예요. 

양자컴퓨터는 빠르고 효율적인데요, 이는 계산 방식 자체가 완전히 다르기 때문에요. 보통 컴퓨터는 한 번에 하나씩 계산해요. 문제를 풀기 위해 여러 가지 경우의 수가 있을 때, 이걸 하나하나 순서대로 해보는 거죠. 그래서 경우의 수가 많아질수록 계산 시간이 기하급수적으로 늘어나요. 그런데 양자컴퓨터는 ‘중첩’ 덕분에 여러 가지 상태를 동시에 계산할 수 있어요. 마치 여러 명이 한꺼번에 문제를 푸는 것처럼요. 게다가 큐비트들이 ‘얽힘’ 상태로 연결되면, 큐비트끼리 정보를 주고받으면서 더 똑똑하게 계산할 수 있어요. 덕분에 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 수백 년 걸릴 문제도 몇 초 또는 몇 분 안에 풀 수 있는 잠재력을 가지고 있는 거예요.

그럼 양자컴퓨터가 실제로 어디에 쓰일 수 있을까요?

가장 기대되는 분야 중 하나는 암호 해독이에요. 지금 우리가 사용하는 인터넷 보안은 아주 큰 수를 소인수분해하기 어려운 점을 이용한 건데, 양자컴퓨터는 이런 문제를 매우 빠르게 풀 수 있어요. 그래서 양자컴퓨터가 실용화되면 현재의 암호 기술이 무력화될 수도 있죠. 또 하나는 신약 개발이나 재료 과학 분야예요. 약이나 물질을 설계하려면 분자 구조를 정확하게 계산해야 하는데, 이건 너무 복잡해서 슈퍼컴퓨터로도 어렵거든요. 그런데 양자컴퓨터는 분자 하나하나의 양자 상태를 시뮬레이션할 수 있기 때문에, 자연의 원리를 그대로 흉내 내며 빠르게 계산할 수 있어요. 이 밖에도 기후 예측, 금융 투자 시뮬레이션, 인공지능 최적화, 물류 경로 계산 등 복잡하고 경우의 수가 많은 문제를 해결하는 데 양자컴퓨터가 큰 역할을 할 수 있어요.

물론 아직 양자컴퓨터는 실험실 수준에 머물러 있는 경우가 많고, 오류 없이 안정적으로 작동하게 만드는 데는 시간이 더 필요해요. 큐비트를 늘릴수록 오류도 함께 늘어나기 때문에, 정확하게 계산하고 유지하는 기술이 중요하죠. 그래서 지금은 구글, IBM, 엔비디아 같은 기업들이 이 문제를 해결하기 위해 꾸준히 연구 중이에요. 양자컴퓨터가 지금 당장 우리 삶을 바꾸진 않더라도, 미래의 기술 발전에서 중요한 열쇠가 될 수 있다는 사실만큼은 분명해요. 그래서 지금의 작은 걸음들이 더 큰 가능성을 만들어가고 있는 중이랍니다.

더보기