[디지털비즈온 김맹근 기자] 양자컴퓨터란 중첩과(superposition) (entanglement) 얽힘 등 양자 역학적 현상을 이용하여 다수의 정보를 동시에 연산할 수 있도록 구현된 컴퓨터로 특정 연산에 최적화된 초고속 대용량 컴퓨팅 기술로 정의된다. 병렬 연산 처리능력을 기반으로 기존 컴퓨터 대비 비교 불가 수준으로 월등한 연산 성능을 자랑하며 이를 기반으로 기존 산업에 커다란 영향을 미칠 것으로 기대되고 있다.

양자컴퓨터의 하드웨어나 전체 시스템도 계속 발전을 거듭하고 있다. 2012년 캐나다의 D-Wave는 초전도소자로 만든 512큐비트의 양자컴퓨터를 출시한다고 발표하였다. 그 응용으로써 시스템 최적화, 기계학습, 패턴 인식과 이상패턴 탐지, 금융 분석, 소프트웨어/하드웨어 검증, 바이오인포매틱스, 암 연구 등에 사용 가능하다고 하였다.

양자컴퓨팅 기술은 그야말로 현존하는 모든 과학기술의 집약체이다. 중첩, 얽힘 등 양자현상을 보이는 여러 가지 방법 중에 외부에서 제어 가능하고 수백만 큐비 트까지도 확장 가능하며 에러도 매우 작고, 많은 연산 스텝도 가능해야 한다.

때문에 기본적인 큐비트 설계기술과 이를 실현시킬 나노급 반도체 제조공정기술, 현존하는 모든 반도체패키징 기술 및 수백·수천 채널 이상 다중 고주파 저온측정 기술, 시간적·공간적으로 균일한 극저온냉각기술, 이온이나 원자를 제어하고 정보를 읽고 쓰기 위한 초정밀 레이저광학기술 등이 필요하다.

또한 컴퓨터로써 동작하기 위해서는 양자적 계산을 하기 위한 수학적 알고리즘과 이들을 포함한 라이브러리 및 개발환경이 필요하고 인공지능, 최적화, 금융, 신약 탐색 등에 사용하기 위한 적절한 양자알고리즘 등의 소프트웨어뿐만 아니라 컨설팅까지도 필요하다.

인공지능을 처리하기 위해 컴퓨팅 파워를 클라우드로 서비스를 받는 것처럼 양자컴퓨터의 컴퓨팅 자원도 인터넷에서 제공하기 위한 효과적인 서비스 방법이 개발되어야 할 것이다.

발전 속도에 대해 확실한 예상을 하기에는 아직 이른 감이 있다. 양자컴퓨터 발전방향에서 달성해야 할 마일스톤 중 하나는 ‘슈퍼컴퓨터보다 빠르다’는 것을 증명하는 양자우월성 증명인데 2019년, 2021년에 세 가지 논문에 의해 달성되었음을 인정하고 있다.

2019년 7월 구글의 53큐비트 초전도양자컴퓨터를 사용한 무작위 양자회로 방법과 2020년 12월 중국과학기술대의 50개의 압착양자광원을 사용한 보존샘플링 방법과 2021년 6월 같은 중국과학기술대에서 56큐비트 초전도양자컴퓨터로 구글과 동일한 방법인 무작위 양자회로 방법으로 성공하였다고 발표하였다.

이것은 구글 입장에서도 환영하고 있는데, 자신의 방법을 모방했다는 것이 아니라 자신의 증명방법을 사용하여서 다른 연구자도 같은 결론을 도출할 수 있다는 것을 보여준 것이라고 생각하고 있다.

양자컴퓨터의 최종 목표는 결함허용 범용양자컴퓨터 이다. 소인수분해, 자료검색, 추천, 행렬의 고유값 계산 등 일부 계산에서만 범용고전컴퓨터보다 월등히 빠르기 때문에 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터 옆에서 어려운 계산의 일부를 해 주는 계산 도우미 같은 형태로 쓰이겠지만, 최종적으로는 슈퍼컴퓨터를 대체하고 모든 계산을 양자적으로 해내는 범용컴퓨터가 되는 날까지 계속 발전해 나갈 것이다.

현재 미국, 유럽, 중국, 일본 등 주요국에서 양자컴퓨터 개발에 대한 정책적 지원이 활발하게 전개 되고 있고 개별 IBM, Google, Microsoft, Intel 기업 등 측면에서도 글로벌 기업이 선행하고 있는 가운데 D-Wave Systems, Rigetti Computing 등 관련 주요 Start-up들에 대한 투자도 이어지고 있는 상황이다.

향후 10년 정도면 소규모 또는 중간 규모 정도의 실제문제를 풀 수 있는 소프트웨어 툴까지 갖춘 양자컴퓨터가 나올 것으로 전망해 본다.