지난 6월, IBM 컴퓨팅 임원은 양자 컴퓨터가 첨단 실험 장치가 유용해지는 "유용성" 단계에 진입하고 있다고 주장했다. 지난 9월 호주의 수석 과학자 캐시 폴리(Cathy Foley)는 “양자 시대의 시작”을 선언하기도 했다.

이번 주 호주 물리학자 미셸 시몬스(Michelle Simmons)는 실리콘 기반 양자 컴퓨터 개발에 대한 연구로 미국 최고의 과학상을 수상했다.

분명히 양자 컴퓨터는 순간을 보내고 있다. 하지만 - 조금 뒤로 물러서서 - 그것들은 정확히 무엇일까?

 

양자 컴퓨터란 무엇인가?

컴퓨터에 대해 생각하는 한 가지 방법은 컴퓨터가 작업하는 숫자의 종류에 관한 것이다.

우리가 매일 사용하는 디지털 컴퓨터는 정수(또는 정수)에 의존하여 정보를 복잡한 규칙에 따라 재배열되는 0과 1의 문자열로 나타낸다. 전기 회로나 회전하는 회전자 또는 움직이는 유체를 통해 조작되어 연속적으로 변화하는 숫자(또는 실수)로 정보를 나타내는 아날로그 컴퓨터도 있다.

 

16세기에 이탈리아 수학자 지롤라모 카르다노(Girolamo Cardano)는 음수의 제곱근을 찾는 것과 같이 불가능해 보이는 작업을 해결하기 위해 복소수라는 또 다른 종류의 숫자를 발명했다. 20세기에는 양자물리학이 등장하면서 복소수 역시 빛과 물질의 세세한 부분을 자연스럽게 표현한다는 사실이 밝혀졌다.

1990년대에 양자물리학에서 인코딩된 복소수를 직접 사용하는 알고리즘을 사용하면 일부 문제를 훨씬 더 빨리 해결할 수 있다는 사실이 발견되면서 물리학과 컴퓨터 과학이 충돌했다.

다음 논리적 단계는 빛과 물질을 사용하여 자동으로 계산을 수행하는 장치를 만드는 것이었다. 이것이 양자 컴퓨팅의 탄생이었다.

 

양자 컴퓨팅이 중요한 이유는 무엇일까?

우리는 일반적으로 스프레드시트의 균형을 맞추고, 라이브 비디오를 전송하고, 공항까지 가는 차를 찾는 등 컴퓨터가 수행하는 작업을 우리에게 의미가 있는 것으로 생각한다. 그러나 이 모든 것은 궁극적으로 수학적 언어로 표현된 계산 문제이다.

양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계이기 때문에 우리가 알고 있는 양자 컴퓨터가 해결할 문제의 대부분은 추상 수학으로 표현된다. 이들 중 일부는 아직 예측할 수 없는 "실제" 응용 프로그램을 가지지만 다른 일부는 보다 즉각적인 영향을 미칠 것이다.

 

초기 응용 분야 중 하나는 암호화이다. 양자 컴퓨터는 오늘날의 인터넷 암호화 알고리즘을 해독할 수 있으므로 양자 저항성 암호화 기술이 필요하다. 입증된 보안 암호화와 완전한 양자 인터넷은 양자 컴퓨팅 기술을 사용한다.

Google은 자사의 시카모어Sycamore 양자 프로세서가 특정 작업에서 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어날 수 있다고 주장했다. 출처: Google

재료 과학에서 양자 컴퓨터는 원자 규모에서 분자 구조를 시뮬레이션할 수 있어 새롭고 흥미로운 재료를 더 빠르고 쉽게 발견할 수 있다. 이는 배터리, 의약품, 비료 및 기타 화학 기반 영역에 중요한 응용 분야를 가질 수 있다.

 

양자 컴퓨터는 또한 우리가 무언가를 수행하는 "최상의" 방법을 찾고자 하는 많은 어려운 최적화 문제의 속도를 높일 것이다. 이를 통해 우리는 물류, 금융, 일기예보 등의 영역에서 더 큰 규모의 문제를 해결할 수 있을 것이다.

머신러닝은 양자 컴퓨터가 발전을 가속화할 수 있는 또 다른 영역이다. 이는 디지털 컴퓨터의 서브루틴 속도를 높여 간접적으로 발생할 수도 있고, 양자 컴퓨터를 학습 기계로 재구성할 수 있는 경우 직접적으로 발생할 수도 있다.

 

현재의 풍경은 어떤가?

2023년에는 양자컴퓨팅이 대학 물리학과 지하 실험실을 벗어나 산업 연구개발 시설로 옮겨가고 있다. 이러한 움직임은 다국적 기업과 벤처캐피털리스트들의 수표장을 통해 뒷받침된다.

IBM, Google, IonQ, Rigetti 등이 구축한 현대 양자 컴퓨팅 프로토타입은 아직 완벽함과는 거리가 멀다.

오늘날의 기계는 크기가 적당하고 오류가 발생하기 쉽다. 소위 "시끄러운 중간 규모 양자" 개발 단계이다. 작은 양자 시스템의 섬세한 특성은 많은 오류 원인이 발생하기 쉽고 이러한 오류를 수정하는 것이 주요 기술적 장애물임을 의미한다.

성배는 스스로 오류를 수정할 수 있는 대규모 양자컴퓨터다. 연구 집단과 상업 기업으로 구성된 전체 생태계는 다양한 기술 접근 방식을 통해 이 목표를 추구하고 있다.

 

초전도체, 이온, 실리콘, 광자

전류 선도 접근법은 정보를 저장하고 조작하기 위해 초전도 회로 내부의 전류 루프를 사용한다. 이는 Google, IBM, Rigetti 등이 채택한 기술이다.

또 다른 방법인 "트랩 이온(trapped ion)" 기술은 입자의 고유한 안정성을 사용하여 전하를 띤 원자 입자 그룹과 함께 작동하여 오류를 줄다. 이 접근 방인식은 IonQ와 Honeywell이 주도했다.

 

 

반도체 기반 양자컴퓨터에 대한 예술가의 감상. Silicon Quantum Computing

세 번째 탐구 경로는 반도체 물질의 작은 입자 내에 전자를 가두어 고전 컴퓨팅의 잘 확립된 실리콘 기술에 융합할 수 있는 것이다. 실리콘 양자 컴퓨팅(Silicon Quantum Computing)은 이러한 관점을 추구하고 있다.

또 다른 방향은 높은 정확도로 조작할 수 있는 개별 빛 입자(광자)를 사용하는 것이다. PsiQuantum이라는 회사는 양자 계산을 수행하기 위해 복잡한 "유도광" 회로를 설계하고 있다.

이러한 기술 중에서는 아직 확실한 승자는 없으며 궁극적으로 승리하는 것은 하이브리드 접근 방식일 수도 있다.

 

양자 미래는 우리를 어디로 데려갈 것인가?

오늘날 양자 컴퓨팅의 미래를 예측하려는 시도는 날아다니는 자동차를 예측하고 대신 휴대폰에 카메라를 장착하게 되는 것과 비슷하다. 그럼에도 불구하고, 많은 연구자들이 동의하는 몇 가지 이정표가 향후 10년 내에 도달할 가능성이 높다.

더 나은 오류 수정은 큰 일이다. 우리는 잡음이 많은 장치의 시대에서 적극적인 오류 수정을 통해 계산을 유지할 수 있는 작은 장치로의 전환을 기대한다.

 

또 하나는 포스트퀀텀 암호화(Post-Quantum Cryptography)의 출현이다. 이는 양자 컴퓨터가 쉽게 깨뜨릴 수 없는 암호화 표준을 확립하고 채택한다는 것을 의미한다.

양자 감지와 같은 기술의 상업적 분사도 곧 다가오고 있다.

진정한 "양자적 이점"의 시연도 발전할 가능성이 높다. 이는 양자 장치가 디지털 대안보다 확실히 우수하다는 매력적인 애플리케이션을 의미한다.

그리고 향후 10년의 확장 목표는 오류가 없는(활성 오류 수정 기능을 갖춘) 대규모 양자 컴퓨터를 만드는 것이다.

이것이 달성되면 21세기는 '양자시대'가 될 것이라고 확신할 수 있다.