양자컴퓨터 기술의 발전 동향

○ 양자컴퓨터는 미시 세계의 물리 법칙인 양자역학의 원리를 이용해 현재의 컴퓨터 시스템을 대체하거나 보완할 수 있는 컴퓨터를 구현하는 것을 목적으로 연구개발이 진행

• 1900년 독일의 막스 플랑크가 양자(Quantum) 개념을 처음 도입하고 1920년대에 닐스 보어, 베르너 하이젠베르크, 에르빈 슈뢰딩거 등이 양자역학 이론을 정립하면서 양자컴퓨터의 핵심 원리를 이해하는 기초가 마련됨

- 1980년대 리처드 파인만과 데이비드 도이치 등의 과학자들이 양자컴퓨터의 개념을 확립한 이후 2000년대 양자컴퓨터의 개발이 본격화

• IBM과 구글이 초기 양자 프로세서를 개발하면서 소규모 양자 연산을 수행할 수 있는 시스템이 구축되기 시작했으며, 구글은 2019년 양자 우월성(Quantum Supermacy)³을 입증하는 양자 컴퓨터 시카모어(sycamore)를 발표

- 기존 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 계산을 200초 만에 해결할 수 있다고 주장하는 논문이 《네이처(Nature)》에 게재되면서 양자컴퓨터의 실용화에 대한 관심을 불러일으킴

○ 양자컴퓨터는 양자 현상의 고유한 특성을 이용해 기존 컴퓨터보다 복잡한 문제를 빠르게 해결할 수 있다는 점에서 미래를 바꿀 혁신적인 기술로 평가

• (기존 컴퓨터) 0 또는 1로 값을 출력하는 이진법 구조인 비트(bit)를 연산의 기초 단위로 활용해 정보를 처리

- 대용량 정보에 대한 연산 능력을 높이기 위해 고집적 반도체를 사용해 연산 장치의 성능을 높이거나 여러 개의 연산 장치를 병렬로 연결하는 방법을 사용

- 그러나 반도체 성능 향상을 위해 미세화 수준을 높일수록 제어가 불가능한 양자역학적 효과⁴로 인해 집적도 한계가 발생하며, 결과적으로 더 이상의 컴퓨터 성능 향상이 어려워짐

- 한 번에 하나씩 연산이 진행되는 컴퓨터 구조 특성상 AI와 같은 대량의 정보 처리에서는 연산 시간이 급격하게 증가하는 문제점도 발생

• (양자컴퓨터) 큐비트를 연산의 기초 단위로 활용해 많은 경우의 수를 동시에 표현하고 빠르게 계산함으로써 기존 컴퓨터 대비 월등하게 빠른 속도로 정보 처리가 가능

- 양자컴퓨터는 양자의 중첩(Superposition), 얽힘(entanglement) 등의 특성을 이용해 기존 컴퓨터보다 월등히 큰 대용량의 병렬 연산이 가능

- 300자리 정수로 이루어진 1천 비트의 숫자를 소인수 분해할 때, 기존 컴퓨터는 약 1백만년의 시간이 소요되나 양자컴퓨터는 성능에 따라 1초에서 1일 이내 계산이 가능⁵

○ 양자컴퓨터의 연산은 양자 알고리즘으로 큐비트를 변환해 정보를 처리하기 때문에 높은 신뢰도를 가진 큐비트를 구현하는 것이 핵심이며, 많은 기관에서 다양한 큐비트 생성 방법을 연구 중

• (초전도 방식) 금속 초전도체로 큐비트를 생성하는 방식으로 IBM, 구글 등 주요 기술 기업에서 많이 사용하며 기술적으로 가장 앞서 있음

- 초전도체 특성상 영하 273℃ 부근의 극저온 환경에서만 작동이 가능해 냉각 시스템이 필요하고 유지 비용이 높다는 것이 단점

• (이온트랩 방식) 미국의 아이온큐(IonQ) 등에서 사용하는 방식으로 레이저빔, 전자기장 등을 이용해 특정 지점에 포획한 개별 이온을 큐비트로 활용하며 연산 안정성이 높다는 것이 장점

- 다만, 레이저 조작 시간이 오래 걸려 회로 구동 속도가 떨어지며 큐비트의 숫자를 늘리는데도 어려움이 있음

• (광자 방식) 빛을 구성하는 단위인 광자(Photon)를 이용해 큐비트를 생성하는 방식으로 정보 전송 속도가 빠르고 상온에서 안정적으로 동작한다는 것이 장점

○ 낮은 범용성으로 제한적인 목적에만 사용되는 세계 최초의 상용 양자컴퓨터 ‘디웨이브원(D-Wave One)’이 2011년 출시된 이후 다양한 알고리즘을 수행할 수 있는 범용 양자컴퓨터 개발을 위한 주도권 경쟁이 본격화

• (IBM) 1997년 2큐비트 양자컴퓨터를 개발한 이래 큐비트 수를 늘린 양자컴퓨터를 지속적으로 공개하고 있음. 2022년 433큐비트 양자컴퓨팅 시스템을 출시했으며, 2023년에는 새로운 양자 연산 칩 ‘헤론(Heron)’으로 구성된 클라우드 서비스를 제공

• (구글) 2019년 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸릴 계산을 200초 만에 수행하는 양자컴퓨터 시카모어를 공개하고 2029년까지 100만 큐비트의 양자컴퓨터 개발을 목표로 로드맵을 수립

• (인텔) 2023년 실리콘 칩 기술을 기반으로 12개의 큐비트를 탑재한 양자컴퓨터 칩 ‘터널 폴스(Tunnel Falls)’를 발표

• (아이온큐) 2022년 이온트랩 방식으로 동작하는 양자컴퓨터를 공개했으며 2028년 1,024개 큐비트의 양자컴퓨터를 출시할 예정

• (마이크로소프트) 양자 하드웨어 제공 업체와 파트너십을 맺고 양자 클라우드 플랫폼을 출시하며 2025년을 양자컴퓨팅 준비의 해로 선언

○ 큐비트가 늘어날수록 계산 오류도 커진다는 한계로 인해 양자컴퓨터를 널리 사용하기 위해서는 하드웨어를 포함한 다양한 분야에서 많은 개선과 혁신이 필요

• 큐비트는 미세한 입자 상태를 통해 구현되는 특성상 늘어날수록 이를 제어하고 측정하는 과정에서 외부의 영향을 받아 오류 발생 가능성이 커짐⁶

- 큐비트의 품질을 개선하기 위해서는 외부 노이즈의 영향 최소화와 함께 이를 제어하고 측정하는 하드웨어와 기술의 고도화가 필요

• 이러한 양자컴퓨터의 한계를 돌파하기 위해 다수 기관들이 연구개발을 지속하는 가운데, 구글은 지난 12월 양자컴퓨터 칩 ‘윌로우’를 공개하며 30년 동안 양자컴퓨터의 고질적 난제로 지목된 오류 발생 문제를 처음으로 해결했다고 강조

- 윌로우는 큐비트들이 서로 오류를 보정할 수 있는 구조로 구현되어 큐비트가 늘어날수록 오류율이 기하급수적으로 낮아짐

- 다만, 윌로우는 영하 273℃ 부근 극저온에서만 작동이 가능해 상용화까지는 추가적인 과제가 남아 있으며, 현재 105개의 큐비트만을 갖춰 대규모 양자컴퓨팅의 초기 단계 수준