단 몇 초 만에 가장 정교한 네트워크를 해킹할 수 있는 컴퓨터를 상상해보라. 복잡한 날씨 및 생물학적 시스템을 완벽하게 모델링한다. 그러한 계산 능력으로 무엇을 할 수 있을까? 신약을 발명? 여러 유니버스의 시뮬레이션을 만들까? 투자 포트폴리오를 최적화하는 것은 어떨까? 이제 돌파구 이후의 돌파구는 이러한 공상 과학 시나리오를 과학적 사실로 만들 위험이 있다.

2019년 Google은 "양자 우월성"이라는 기념비적인 발표를 했다. 일반적으로 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터에서 단 200초 만에 10,000년이 걸리는 계산을 완료했다. 한편, Rigetti Computing과 같은 회사는 클라우드에서 민주화된 양자에 더 가까이 다가가고 있다.

그렇다면 양자컴퓨팅이란 정확히 무엇일까?

새로운 종류의 컴퓨터

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 근본적으로 다른 방식으로 작동한다. 클래식 컴퓨팅에서 "비트"는 1 또는 0의 작은 이진 정보 덩어리이다.

"큐비트"또는 퀀텀 비트는 이 아이디어의 최신 버전이다. 시나리오 중 하나인 바이너리 비트와 달리 큐비트는 "중첩"을 사용한다. 이를 통해 한 번에 여러 상태에 있을 수 있다. 동전 던지기의 두 가지 옵션인 앞면 또는 뒷면을 생각해보자. 이제 두 주가 동시에 번쩍이는 회전 동전에 대해 생각해보자. 그것이 중첩이다.

중첩은 힘을 의미한다. 많은 힘말이다.

고전적인 컴퓨터는 어려운 문제를 해결하기 위해 수천 단계가 필요하지만 양자 컴퓨터는 2~ 3단계만으로 동일한 작업을 수행할 수 있다.

이를 이해하기 위해 IBM의 Deep Blue는 초당 2억 개의 동작을 조사하여 세계 챔피언 체스 선수인 Garry Kasparov를 이길 수 있었다. 양자 기계는 이를 최대 1조 개 이상까지 끌어 올릴 수 있다.

IBM의 가장 큰 양자컴퓨터에는 65큐비트가 있다. 그리고 작년에 회사는 2023년까지 1000큐비트 컴퓨터를 만들 계획을 발표했다.

Google의 양적 우위

양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 강력하다면 Google의 양자 우위 발표는 컴퓨팅의 미래를 위한 거대한 게임 체인저이다.

53큐비트로 구성된 칩이 포함된 시카모아(Sycamore)라는 시스템을 사용하여 Google의 연구팀은 랜덤 회로 샘플링이라는 작업을 수행할 수 있었다.

여기에는 시카고대학의 컴퓨터 과학자 Bill Fefferman이 설명했듯이 "문자 그대로 프로그램 코드가 무작위로 선택된 것처럼"큐비트에 대해 무작위 연산을 수행하는 것이 수반된다. 그런 다음 모든 큐비트의 값을 측정하고 전체 프로세스를 여러 번 반복했다. 결과 분포는 양자 효과로 인해 무작위가 아니며 고전적인 컴퓨터로 계산하는 데 시간이 많이 걸리는 것은 말할 것도 없이 엄청나게 어렵다.

궁극적으로 시카모아(Sycamore)는 샘플링 프로세스를 백만 번 반복하는 데 200초가 걸렸지만 최고급 클래식 슈퍼 컴퓨터는 동일한 프로세스를 완료하는 데 거의 10,000년이 걸린다.

더 작은 버전의 시카모아(Sycamore)칩 (12큐비트)이 화학 반응을 시뮬레이션 하는 데 사용되었으며, 이는 개선된 배터리, 비료 및 탄소 격리 기술과 같은 유용한 발견으로 이어질 수 있다. 하지만 확장 가능한 양자 우위를 향한 경쟁에서 Google은 혼자가 아니다.

리게티(Rigetti)의 이야기

우주에서 가장 추운 곳은 맑은 캘리포니아에 있다.

버클리 외곽의 대형 창고 안에는 커다란 흰색 파이프가 걸려 있다. 인간이 만든 장치, .003 켈빈 또는 절대 영도 바로 북쪽으로 냉각되는 차세대 극저온 냉장고이다.

파이프는 유용한 양자 컴퓨터를 만드는 것을 목표로 하는 다음 참가자인 리게티 컴퓨팅(Rigetti Computing)의 소유이다.

이 회사는 2013년 Chad Rigetti라는 물리학자가 양자 컴퓨터가 많은 사람들이 생각하는 것보다 훨씬 더 황금 시간대에 가까워졌다고 결정하고 결승선을 넘어 기술을 밀어붙이는 사람이 되기를 원했다.

그의 비전을 추구하기 위해 Rigetti는 IBM에서 양자 연구원으로 편안한 직장을 그만두고 지금까지 거의 2억 달러의 자금을 모금했으며 역사상 가장 차가운 파이프를 구축했다. 이후 50개가 넘는 특허 출원을 통해 Rigetti는 이제 클라우드의 양자 컴퓨터에 직접 연결된 통합 양자 회로를 제조한다.

그러나 Rigetti의 가장 크고 흥미로운 측면 중 하나는 양자 컴퓨팅의 민주화를 향한 추진이다. 지금 Rigetti의 웹 사이트로 이동하면 양자 개발자 키트인 Forest (https://qcs.rigetti.com/sdk-downloads)를 다운로드 할 수 있다. 이 키트는 양자 세계에 대한 사용자 친화적 인 인터페이스를 제공한다.

이를 통해 거의 모든 사람이 8~31 큐비트 범위의 프로그램을 작성하고 Rigetti의 컴퓨터에서 실행할 수 있다. 현재까지 1억 2천만 개 이상의 프로그램이 이미 컴퓨터에서 실행되었다. 그리고 다른 회사들은 빠르게 따라가고 있다.

그렇다면 우리는 지금 어디쯤 있으며 어디로 가고 있을까?

양자 컴퓨팅 커뮤니티 내에서 "양자 우월성"이라는 개념 자체가 조사를 받고 있다. “우월성”은 양자 컴퓨터가 보충 기능이 아닌 기존의 계산을 대체할 것임을 의미한다.

대조적으로, 자주 사용되는 또 다른 용어 (Rigetti가 제안)는 "양자적 이점"이다. 회사에 따르면 이 개념은 양자 컴퓨팅 플랫폼에서 실행되는 알고리즘이 "최고의 기존 알고리즘에 비해 솔루션에 더 빠른 시간, 더 나은 품질의 솔루션 또는 기존 컴퓨팅 비용이 더 낮을 때"입증된다. 두 경우 모두 양자 계산은 다양한 문제 영역에서 기존 컴퓨터에 비해 엄청난 양적 이점을 제공한다.

규모에 대한 아이디어를 제공하기 위해: 우주의 모든 원자가 각각 1 비트의 정보를 저장할 수 있다면 80큐비트 컴퓨터는 우주의 모든 원자보다 더 많은 정보 저장 용량을 가질 것이다.  또한 이미 Google의 Sycamore와 IBM의 Hummingbird를 포함한 최신 양자 컴퓨터는 각각 53 및 65큐비트에 도달했다.

그러나 오늘날 우리는 양자 컴퓨팅이 대규모로 성숙해지면 어떤 혁신이 일어날지 구체적으로 알지 못한다. 그러나 우리가 아는 것은 감질 나게 한다.

화학과 물리학은 양자 과정이기 때문에 큐비트 컴퓨팅은 옥스포드의 Simon Benjamin이 말하는“신소재, 새로운 화학 물질 및 신약 발견의 황금기”를 안내할 것이다.

인공지능에 대한 오늘날의 컴퓨팅 제약을 제쳐 두고 사이버 보안을 근본적으로 혁신하며 전례 없는 복잡성의 시스템을 시뮬레이션 할 수 있다.

Chad Rigetti는“[기술]은 연구 개발의 경제성을 변화시킨다. 새로운 항암제를 만들려 고한다고 가정해 보겠다. 테스트 튜브에 있는 수십만 가지 화합물의 특성을 탐색하기 위해 대규모 습식 실험실을 구축하는 대신 컴퓨터 내부에서 많은 탐색을 수행할 수 있다."

즉, 새로운 약물, 최적화된 재료 또는 개인화 된 제품 등 실험적 질문과 새로운 솔루션 간의 격차가 훨씬 더 작아지게 된다.

자신을 보호하라. 민주화되고 확장 가능하며 클라우드 액세스가 가능한 양자 컴퓨팅 시대가 막 시작되었다.