미국 마이크로소프트(MS)가 양자 컴퓨터 상용화의 최대 걸림돌로 꼽혀온 양자 오류와 집적도 한계 등을 뛰어넘는 양자컴 칩을 개발했다고 밝혔다. 온도·자기장 등 외부 환경 변화에 극히 민감해 오류가 잦고 보정이 어려웠던 기존 칩의 치명적 단점을 해결해 양자컴 시대를 앞당길 수 있게 됐다는 것이다.
19일 MS는 “세계 최초로 ‘위상(位相) 초전도체’를 사용한 양자 칩 ‘마요라나 1′을 개발했다”며 “반도체 발명이 오늘날의 스마트폰, 컴퓨터, 전자 제품을 가능하게 한 것처럼 이번 개발로 양자컴 시대가 몇 년 안에 실현될 수 있을 것”이라고 밝혔다. MS는 이번 양자 칩 개발을 트랜지스터 발명에 비유했다.
그래픽=양인성
MS는 양자컴 연산의 기본 단위이자 성능 기준으로 꼽히는 ‘큐비트’ 수를 향후 100만개로 확장할 수 있게 됐다고 밝혔다. 현재 IBM과 구글의 양자컴이 1000큐비트급인 점을 감안하면, 1000배에 달하는 규모를 구현할 수 있다고 공언한 것이다. 진공관 시대에 집채만 했던 컴퓨터가 트랜지스터 발명을 계기로 소형화되면서 ‘개인용 컴퓨터’ 시대가 열린 것처럼, 이번 양자컴 기술이 신소재·의료·환경·국방·보안 등 경제·산업·사회 각 분야에 혁명과도 같은 변화를 예고한 것이라는 기대가 나온다.
◇수년내 AI 학습속도 100배… “트랜지스터 발명과 맞먹어”
마이크로소프트(MS)가 19일 자체 개발했다고 공개한 양자컴 칩 ‘마요라나 1’에는 큐비트 8개가 탑재됐다. 큐비트는 양자컴 연산의 기본 단위다. 기존의 일반 컴퓨터는 전자의 유무(有無)에 따라 0과 1의 비트(bit)로 정보를 표현하고 순차적으로 계산하는 반면, 양자컴은 예컨대 0과 1을 동시에 처리(중첩)할 수 있어 연산 속도가 획기적으로 빠르다. 이번에 MS는 큐비트를 100만개 이상으로도 확장할 수 있도록 양자 칩을 설계했다고 밝혔다. 이번 양자 칩의 핵심인 ‘위상 초전도체’는 인듐 비소와 알루미늄 등으로 구현했다. 이를 통해 양자 정보의 손상을 막고 오류 파악과 수정도 디지털로 자동 제어할 수 있게 됐다. 체탄 나약 MS 퀀텀 하드웨어 부사장은 “큐비트 100만개는 양자컴이 산업에 실질적 변화를 가져오기 위한 필수 임계치”라고 했다. 큐비트가 100만개 이상 탑재되는 시기를 ‘양자컴 상용화’가 시작되는 때로 본다는 것이다.
그래픽=양인성
◇양자컴 상용화, 무엇을 바꿀까
MS는 100만 큐비트급 양자컴이 개발되면 분자 간 복잡한 상호작용을 비롯해 오늘날의 컴퓨터로는 풀 수 없는 각종 문제가 해결될 것이라고 했다. 예컨대, 교량이나 항공기의 균열 등을 자가 복구하는 물질을 개발할 수 있고, 각종 플라스틱을 분해하는 만능 촉매도 만들 수 있어 환경오염도 풀 수 있다는 것이다. 토양 비옥도를 획기적으로 높여 식량 부족 문제의 돌파구도 열 수 있다고 했다.
이처럼 수퍼컴퓨터를 월등히 초월하는 양자컴이 상용화되면 인공지능(AI) 분야에서도 근본적 혁신이 가능하다는 분석이 나온다. 막대한 양의 데이터를 학습한 뒤 이를 토대로 연산과 추론을 하는 AI에 양자컴 기술이 접목되면 소비 전력을 비롯해 비용과 시간을 대폭 줄이면서 AI 학습 속도를 100배 가까이 높일 수 있다는 것이다. MS는 “AI와 양자컴이 결합한 시대에는 어떤 물질이나 분자, 제품을 개발하고 싶다고 말하면 즉시 실현 가능한 답을 얻을 수 있게 될 것”이라며 “예전 같은 수년간의 시행착오는 없을 것”이라고 했다.
양자 컴퓨터는 또 의료, 경제 등 분야에서도 혁신을 이끌 것으로 기대된다. 양자 컴퓨터를 본격적으로 활용하면 신약 후보 물질을 찾는 데 드는 시간과 비용을 기존의 100분의 1로 절감하고, 궁극적으로 암이나 치매 등 난치병을 쉽게 치료할 수 있는 시대가 열릴 수 있다. 이와 함께 차세대 배터리나 그래핀 등 신소재를 지금보다 훨씬 빠르게 개발할 수 있고, 금융 시장에서도 주가, 금리, 환율 등 다양한 변수를 고려해 리스크를 예측하고 회피하는 금융 모델링이 가능해진다. 이상기후를 예측하는 것도 지금보다 훨씬 정확해질 전망이다.
◇“부작용과 한계도 고려해야”
양자컴이 상용화됐을 때 생기는 위협도 있다. 전문가들은 기존의 암호 기술이 양자컴 앞에서 무력화될 것으로 보고 있다. 기존 컴퓨터로 수천 년을 풀어야 하는 암호도 양자컴으로는 몇 분 안에 풀릴 수 있다.
다만 MS의 이번 기술이 상용화로 직결될지는 두고 봐야 한다는 지적도 있다. 이순칠 한국연구재단 양자기술단장은 “이번 양자 칩은 무오류 양자컴의 실현 가능성을 보였다는 점에서 의미가 있다”면서도 “아직 완벽한 수준의 기술을 입증하진 못한 것으로 보인다”고 했다.
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테크 업계에선 새로운 양자 칩 개발을 계기로 양자컴 경쟁이 더욱 뜨거워질 것으로 보고 있다. 앞서 구글이 지난해 12월 공개한 양자 칩 ‘윌로’는 기존 수퍼컴퓨터로 10의 25제곱년이 걸리는 계산을 5분 만에 수행해 냈다. IBM은 지난해 11월 ‘퀀텀 헤론’ 양자 칩을 공개하며 “전작 대비 동일한 연산 작업 시간을 112시간에서 2.2시간으로 크게 단축했다”고 밝혔다. 도용주 광주과학기술원(GIST) 물리광과학과 교수는 “한국은 양자컴 분야에선 후발 주자지만, 위상 초전도체 양자컴은 새로 열리는 분야로 기술적 격차가 크지 않아 추격 가능성을 주목해야 한다”고 했다.
☞양자컴퓨터, 위상 초전도체
양자컴퓨터: 일반 컴퓨터는 전자의 유무(有無)에 따라 0과 1의 비트(bit)로 정보를 표현하고 순차적으로 계산하는 반면, 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 처리(중첩)할 수 있어 연산 속도가 획기적으로 빠르다.
위상 초전도체: 전기저항이 0이 돼 전력 손실 없이 전류를 흐르게 하는 물질을 초전도체라 한다. ‘위상(位相) 초전도체’는 초전도성을 가지면서 형태가 변형돼도 입자 간 위상이 변하지 않아 성질이 쉽게 유지되는 물질이다. 기존 양자 컴퓨터의 초전도체는 온도·빛 등 환경이 조금만 바뀌어도 성질이 변해 연산 오류가 발생했다. ‘위상 초전도체’는 이런 문제를 해결해 정보를 더 오래 안정적으로 유지할 수 있다.
