5화. 양자 컴퓨터 개발의 한계

○ 지금까지 컴퓨터는 트랜지스터라는 전기 스위치가 릴레이(전류의 유무에 따라 회로를 여닫는 장치)나 진공관(밀폐된 유리 전구에 전극을 넣은 장치)을 압도하는 강점을 가지며 발전해 왔는데 반해, 양자 컴퓨터의 개발은 이제 출발인 상황.

위의 방식中 하나로 표준화가 될지, 여러 방식이 조합된 하이브리드 방식이 나타날지, 완전히 새로운 방식이 발명되어 최후의 승자가 될지 알 수 없음

○ 다만, 이렇게 다양한 방식의 연구가 진행되고 있는 이유는 기본적으로 양자 컴퓨터를 개발하는데 있어 다음과 같은 어려움들이 한계 요소로 작용²⁴하고 있기 때문

• [큐비트의 증가] 양자는 너무 작은 입자이므로 외부 환경에 대단히 민감하여, 온도 변화나 다른 양자와의 충돌 또는 빛에도 영향을 받으며, 심지어 계산한 값을 측정해서 값을 읽으려는 행위(관측) 자체가 양자의 상태에 영향을 줄 수 있음
  
  - 기존의 컴퓨터의 전자 회로는 회로에 대량의 전자가 흐르므로 미약한 노이즈의 영향을 받지 않으나, 양자 컴퓨터는 양자의 성질을 이용하므로 전자를 개별적으로 취급하여 안팎의 미약한 노이즈들이 전자의 흐름에 큰 영향을 끼칠 수 있음
  
  - 따라서, 전기저항에 의한 열이나 자기장 등의 영향을 받지 않도록 극저온의 초전도 상태를 유지하도록 하거나, 진공 상태를 만들어 다른 영향을 받지 않도록 할 필요

• [큐비트의 제어] 양자를 원하는 방식으로 제어하기 위한 기술적인 한계 요소가 존재. 대규모 양자 컴퓨터를 구현하려면 큐비트를 제어하고 해석하는 소자의 개발과 함께 미세입자 하나하나의 양자 상태를 조작할 수 있는 첨단 나노기술과 극저온에서 작동하는 큐비트와 상온의 시스템을 연결하기 위한 센서 및 통신 기술 등도 필요

• [에러률의 감소] 기존의 컴퓨터에서 비트수가 커질수록 오류가 증가하는 것과 마찬가지로 양자 컴퓨터에서도 큐비트의 수가 증가할 때마다 큐비트간의 간섭과 오류가 발생
  
  - 큐비트 하나를 늘릴 때마다 그 오류를 정정하기 위한 큐비트가 수십~수백 개 이상이 더 필요할 수 있어, 대용량의 양자 컴퓨터를 만들기 위해 오류정정기술의 발달이 중요

• [상관시간의 확장] 아울러, 0과 1을 동시에 가지는 양자 상태를 일정 시간 동안 유지시킬 수 있어야 원하는 연산 작업을 안정적으로 많이 수행할 수 있는데, 이것을 유지하기가 어려움

○ 이러한 양자 컴퓨터 개발의 한계를 넘어서기 위해 많은 회사들이 연구 개발을 계속하는 가운데, 구글의 CEO인 순다르 피차이는 개발자 컨퍼런스인 ‘Google I/O 2021’에서 이상적인 큐비트를 만들어낼 계획을 발표하였고, IBM 또한 지난 2020년에 양자 컴퓨터 개발 로드맵을 발표

• 구글은 ‘큐비트가 늘어날수록 에러가 늘어나게 되므로 오류 정정을 통해 양자 정보를 잃지 않고 보관·유지할 수 있는 이상적인 큐비트(‘논리적 큐비트’라 표현)를 만드는 것이 중요’하다며, ‘실용적인 양자 컴퓨터를 위해서는 큐비트의 오류 정정이 필수이며, 1,000개의 물리적인 큐비트를 연동하여 이상적인 1개의 논리적인 큐비트를 만들어 내고, 2029년까지 100만개의 물리적 큐비트와 1,000개의 논리적 큐비트를 달성하겠다’고 발표²⁵

• IBM도 1,000큐비트를 구현하는 단계가 되면 ‘양자 컴퓨터를 이용하는 사람들이 이를 쉽게 사용할 수 있으리라고 본다’며 양자 컴퓨터 개발을 위한 로드맵을 발표²⁶