비약적인 도약: 거대 기술 기업들이 양자 컴퓨팅의 미래에 베팅하는 이유

양자 컴퓨팅은 오랫동안 공상 과학 소설의 소재였지만 오늘날에는 Google, IBM과 같은 주요 기술 회사 및 자금이 풍부한 여러 신생 기업으로부터 수십억 달러의 투자를 유치한 빠르게 발전하는 분야이다. 이 기술이 실용화되려면 몇 년이 더 남았음에도 불구하고 화학에서 기계 학습에 이르기까지 산업에 혁명을 일으킬 양자 컴퓨터의 잠재력은 전문가와 투자자 모두 이것이 게임 체인저라고 확신하고 있다.

양자 역학의 원리를 기반으로 컴퓨터를 구축한다는 개념은 1980년대부터 존재해 왔다. 그러나 과학자들이 대규모 양자 장치를 개발하는 데 상당한 진전을 이룬 것은 지난 수십 년 동안에 불과하다. 이제 주요 기술 업체는 양자 컴퓨팅 개발을 가속화하기 위해 막대한 투자를 하고 있다.

이론적으로 양자 컴퓨터는 가장 강력한 고전 컴퓨터조차도 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있다. 복잡한 분자 구조 시뮬레이션에서 대규모 시스템 최적화에 이르기까지 양자 컴퓨팅은 현재 기술로는 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 그러나 전문가들은 양자 기계가 훨씬 더 커지고 더 신뢰할 수 있어야 이러한 기능이 완전히 실현될 수 있다고 입을 모은다.

양자 컴퓨팅이 성숙해지면 화학, 물리학, 재료 과학, 기계 학습을 포함한 여러 분야에서 돌파구를 열 수 있다. "단순히 더 빠른 클래식 컴퓨터가 아닙니다. 이것은 완전히 다른 패러다임입니다"라고 워털루 대학의 양자 컴퓨팅 연구소(Institute for Quantum Computing)의 전무 이사인 Norbert Lütkenhaus는 말한다. "양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 할 수 없는 작업을 효율적으로 해결할 수 있습니다."

모든 양자 컴퓨터의 중심에는 클래식 비트의 양자 아날로그인 큐비트가 있습니다. 0 또는 1만 나타낼 수 있는 클래식 비트와 달리 큐비트는 0과 1을 동시에 나타낼 수 있는 중첩 상태로 존재할 수 있다. 한 번에 여러 상태에 있을 수 있는 이러한 기능은 양자 컴퓨터에 놀라운 계산 능력을 제공한다.

오늘날의 양자 컴퓨터는 인상적인 발전을 이루었으며 일부 기계는 이제 1,000큐비트 이상을 자랑한다. 그러나 오늘날 사용되는 대부분의 양자 시스템은 수십 개 또는 수백 개의 큐비트만 특징으로 하며 오류가 발생하기 쉽다. 그 이유는 무엇인가? 양자 상태는 환경에 매우 민감하므로 온도 변동이나 표유 전자기장과 같은 사소한 교란도 오류를 일으킬 수 있다. 결과적으로 현재의 양자 기계는 실제 문제를 해결할 수 있는 길고 복잡한 프로그램을 실행하는 데 어려움을 겪고 있다.

이러한 어려움에도 불구하고 연구원들은 오늘날의 양자 기계가 이 분야를 발전시키는 데 가치가 있다고 믿는다. MIT 양자 공학 센터 소장인 윌리엄 올리버(William Oliver)는 "오늘날 양자 컴퓨터가 사용되는 목적은 본질적으로 더 나은 양자 컴퓨터를 만드는 방법을 배우는 것"이라고 말한다. "그들은 또한 기술 확장에 필수적인 양자 알고리즘과 오류 수정 기술을 테스트하고 있습니다."

미래 양자 시스템에 대한 희망을 제공하는 한 가지 돌파구는 논리적 큐비트의 개발이다. 여러 물리적 큐비트에서 양자 정보를 인코딩함으로써 연구원은 보다 안정적이고 내결함성이 있는 양자 정보 단위를 만들 수 있다. Google과 같은 회사와 Quantinuum 및 QuEra와 같은 신생 기업은 이미 논리적 큐비트를 생성할 수 있는 능력을 입증하고 있다. 최대 수천 또는 수백만 개의 큐비트로 확장하려면 수년간의 작업과 혁신이 필요하지만 잠재력은 분명하다.

양자 컴퓨팅의 힘의 핵심은 중첩의 원리에 있다. 이 양자 현상을 통해 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 병렬로 수행할 수 있다. 기존 컴퓨터에서 문제를 해결하려면 가능한 각 솔루션을 하나씩 확인해야 하는 반면 양자 컴퓨터는 모든 가능성을 동시에 탐색할 수 있다.

"양자 알고리즘을 실행하면 잘못된 솔루션이 억제되고 올바른 솔루션이 향상됩니다"라고 Oliver는 설명한다. "이 과정이 끝날 때쯤에는 우리가 찾고 있는 해답만이 유일하게 살아남을 수 있습니다." 병렬로 문제를 해결할 수 있는 이러한 능력은 양자 컴퓨터가 특히 많은 양의 데이터나 복잡한 시스템을 포함하는 작업의 경우 기존 시스템보다 우위를 제공한다.

특히 양자 컴퓨팅의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 물리적 시스템을 시뮬레이션하는 것이다. 자연 세계 자체는 양자 역학의 이상한 법칙에 의해 지배되며 고전 컴퓨터에서 양자 시스템을 시뮬레이션하는 것은 거의 불가능하다는 것이 입증되었다. 그러나 양자 컴퓨터는 모델링하려는 시스템과 동일한 원리로 작동하기 때문에 복잡한 화학 반응, 재료 속성 등을 시뮬레이션하는 데 매우 적합하다.

이는 신약 개발, 재생 에너지 및 재료 과학과 같은 분야에서 돌파구로 이어질 수 있다. 예를 들어, 양자 컴퓨터는 분자의 동작을 매우 정밀하게 시뮬레이션할 수 있으며, 이는 잠재적으로 새로운 의약품, 촉매 또는 배터리 기술의 개발에 혁명을 일으킬 수 있다.

그러나 양자 혁명에는 더 어두운 면도 있다. 양자 컴퓨팅이 제기하는 주요 위험 중 하나는 최신 암호화 알고리즘을 깨뜨릴 수 있다는 것이다. 1994년에 개발된 쇼어의 알고리즘은 충분히 강력한 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 많은 수를 인수분해할 수 있음을 보여주었으며, 이로 인해 현재의 암호화 시스템이 무용지물이 될 수 있다.

이러한 우려에도 불구하고 양자 컴퓨팅의 출현은 양자 공격에 대해 안전하도록 설계된 새로운 암호화 기술의 개발에 박차를 가했다. 미국 NIST(National Institute of Standards and Technology)는 이미 포스트 양자 시대를 위한 새로운 암호화 표준을 발표했으며, 전 세계 조직은 미래의 양자 위협으로부터 데이터를 보호하기 위해 이러한 전략을 구현하기 시작했다.

오늘날의 양자 컴퓨터는 아직 초기 단계에 있지만 이 기술의 가능성은 부인할 수 없다. 기업들이 더 크고 안정적인 양자 시스템을 개발하기 위해 계속 투자함에 따라 향후 몇 년 동안 더 많은 돌파구를 볼 수 있을 것이다. 내결함성 양자 컴퓨팅을 달성하려면 상당한 엔지니어링 및 과학적 과제를 극복해야 하지만, 복잡한 분자 시뮬레이션에서 사이버 보안 혁신에 이르기까지 잠재적인 응용 분야는 노력할 가치가 있다.

현재로서는 양자 경쟁이 계속되고 있으며, 수십억 달러의 자금과 수년간의 연구가 더 필요하다. 그러나 한 가지 분명한 것은 양자 미래가 다가오고 있으며 모든 것을 바꿀 수 있다는 것이다. (Impact Lab)