양자컴퓨터가 몰고 올 혁신, 이미 시작되었다

양자컴퓨터는 아직 초기 단계에 있지만, 그 변화와 혁신 기술의 잠재성에 대해서는 의심의 여지가 없다. 신약 개발과 우주항공, 암호화, 금융, 재료 공학 등 대규모의 정밀한 데이터 분석 분야에서 혁신적 변화가 예상되는 등 양자컴퓨터가 최근 글로벌 자본시장에서 가장 주목받는 아이템으로 떠올랐다.

양자컴퓨터는 양자역학적 특성을 이용해 특정 분야에서 다수의 정보를 동시에 연산 처리하는 초고속 대용량 컴퓨팅 기술이다. 현재 AI(인공지능) 기술이 모든 분야에 적용되면서 처리해야할 데이터양이 폭증 하고, 그 양이 늘어날 수록 양자의 특성을 이용해 절대적 연산량 감소가 가능한 양자컴퓨터의 가치는 더욱 커지고 있다.

양자컴퓨터 전문 매체인 퀀텀인사이더는 향후 10년간 양자컴퓨터로 인해 경제적 가치가 약 1조 달러 창출될 것으로, 한국지능정보사회 진흥원에 따르면 글로벌 양자컴퓨터 시장이 2024년 8조 9,000억원에서 2030년 32조1,000억원으로 연평균 20.1% 성장할 것으로 전망했다.

양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터가 사용하는 비트(bit) 대신 큐비트(qubit)를 사용하며, 이는 중첩, 얽힘, 그리고 간섭이라는 주요 특징이 있다. 즉, 0과 1을 동시에 가질수 있는 ‘중첩’과 한큐 비트의 상태에 따라 나머지 하나의 상태도 즉시 결정되는 ‘얽힘’, 그리고 중첩된 상태 중 특정 경로의 확률을 증폭시켜 연산을 최적화하는 ‘간섭’이라는 특성을 가지고 있다.

이런 특성을 활용해 기존 컴퓨터가 순차적 혹은 병렬적으로 처리하던 계산을 동시에 수행함으로써 특정 영역에서 연산 속도가 획기적으로 개선된다. 또 큐비트는 다양한 물리적 시스템을 통해 구현되며, 대표 방식으로는 초전도 방식과 이온트랩 방식이있다. 초전도 방식은 극저온 환경에서 작용하며, IBM, 구글, 리게티 컴퓨팅 등이 사용하고, 이온 트랩 방식은 전기장을 이용하며 아이온큐와 허니웰 등이 채택하고 있다.

최근 미국 빅테크 업체는 양자컴퓨터의 기술적 한계이자 상용화 걸림돌로 작용한 오류율 문제를 개선한 양자칩 개발에 성공했다.

2024년 11월 IBM은 현존 최고 성능을 보유한 양자 프로세서 퀀텀 헤론(Quantum Heron)을 출시 했으며, 2024년 12월 구글(Google)은 전 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 프론티어로도 1,025년이 걸리는 계산을 5분 이내에 수행하는 양자 칩 윌로우(Willow)를 공개하며 양자컴퓨터 관련 주식의 급등을 이끌기도 했다.

이에 더해 2025년 2월 마이크로소프트(MS)의 양자 칩 마요나라 1(Majorana 1), 아마존(AWS)의 오셀롯(Ocelot)이 공개되는 등 빅테크 기업은 양자컴퓨터 상용화를 위해 소리 없는 전쟁에 나선 상태다.

이처럼 양자컴퓨터 분야에서 선두를 달리는 나라는 단연코 미국이다. 위에서 언급한 빅테크뿐 아니라 각종 스타트업까지 막대한 투자와 전략적 협업을 통해 기술 개발에 매진하고 있다.

그 뒤를 잇는 중국은 막대한 투자를 통해 기술 격차를 좁히기 위해 노력하고 있다. 2021년 발표한 14차 5개년 계획에서 양자컴퓨터를 핵심기술로 지정하고, 2025년 까지 약 150억 달러를 투자할 것이라 밝혔는데, 이는 미국(약 38억달러)의 4배에 달하는 규모다. 그 결과 중국은 양자기술 관련 특허 점유율 50%이상을 기록하며 세계 1위를 기록하고 있다.

우리나라는 현재 양자컴퓨터 분야의 기술력이 현저히 낮은 것이 사실이다. 미국의 기술력을 100점으로 두고 표준화 점수 환산 시, 2.3점에 그치며 주요 12개국중 최하위를 기록 했다.

이번 양자전략위원회(전략위) 출범 이전까지는 과학 기술정보통신부(과기부)를 중심으로 투자 계획이 진행되어 왔고, 지난 2023년 삼성전자, SK텔레콤, LG전자 등의 기업이 2035년까지 3조5,000억원을 양자 기술 분야에 투자하는 계획을 발표했다.

최근 양자컴퓨터 기술이 획기적으로 발전했다. 지난 3월 12 일, 캐나다의 양자컴퓨터 기업 디웨이브가 이끄는 국제 연구진이 기존 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 복잡한 과학적 시뮬레이션(모의실험)을 해결했다고 밝힌 것이 대표적이다.

이는 기존 컴퓨터로는 사살상 불가능했던 문제를 양자 기술을 통해 해결한 사례로, 학술지 <사이언스>에 실릴 정도로 파급력이 큰 중요한 진전이라고 할 수 있다. 최근까지도 양자 우위가 이뤄지는 시점은 2027년 전후 일것으로 예상돼왔다.

한편, 양자 큐비트의 생성과 안정성, 오류율 개선 같은 기술적 한계뿐만 아니라, 생태계 미성숙, 경제적 제약, 관련 생태계 확장 등 해결할 과제가 많고, 상용화에는 상당한 시간이 필요하다.하지만 미래 혁신 기술이 현실이 되고 있는 만큼, 이에 대한 준비는 필수다.