퀀텀 컴퓨팅(Quantum computing)은 양자 기술(Quantum technology)의 대표주자로 인공지능(AI)과 함께 최근 글로벌 시장에서 가장 각광받고 있는 분야다. 디지털 컴퓨팅이 주도하는 기존 컴퓨터의 패러다임을 완전히 바꿀 것으로 예상되는 퀀텀 컴퓨팅은 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 미지의 영역까지도 해결의 실마리를 제공하는 막강 영향력을 행사할 것으로 기대한다. 이에 따라 우리 정부도 양자 기술의 선도국가가 되기 위해 노력하고 있다. 그렇다면 퀀텀 컴퓨팅 ‘격전지’에서는 어떤 일이 벌어지고 있는지 따라가 보기로 한다. <편집자 주>

 

 

[뉴스투데이=최봉 산업경제 전문기자] 양자 분야의 연구자들은 우리가 여전히 ‘니스크(NISQ: Noisy Intermediate-Scale Quantum)’ 시대에 살고 있다고 한다. 

‘니스크’란 앞으로 등장하게 될 퀀텀 컴퓨터는 더 이상 작다고 말하기는 힘들지만, 여전히 양자 잡음(noise) 보정을 하지 못해서 오류(error)가 많이 발생할 것이라는 사실을 한마디로 표현하는 말이다(필자의 이 시리즈 5편(2023.10.31.) 참고).

 

 

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• 여전히 NISQ 시대, 오류 수정(error-corrected) 큐비트가 필요

 

큐비트(qubit) 작업의 거의 모든 측면에는 오류가 발생하기 쉽다. 큐비트의 초기 상태 설정, 해당 상태 유지, 작업 수행 및 상태 읽기는 모두 양자 알고리즘이 유용한 결과를 생성하지 못하게 하는 오류를 초래할 수 있다.

 

따라서 IBM을 비롯하여 퀀텀 하드웨어를 생산하는 모든 회사의 주요 초점은 이러한 오류를 제한하는 것이었고 그 점에서 큰 진전이 이루어졌다.

 

그러나 장기적으로 볼 때 프로세서가 몇 시간에 걸쳐 수십억 개의 연산이 필요할 수 있는 복잡한 알고리즘을 성공적으로 완료할 수 있을 만큼 오류율이 낮은 지점까지 큐비트 하드웨어를 확보할 가능성은 거의 없다.

 

이를 위해서는 오류 수정(error-corrected) 큐비트가 필요하다는 것이 일반적인 중론이다.

 

여기에는 큐비트(‘논리적 큐비트(logical qubit)’라고 함)가 보유한 양자 정보를 여러 하드웨어 큐비트에 분산시키는 작업이 포함된다. 추가 큐비트는 논리 큐비트의 오류를 모니터링하고 수정을 허용하는 데 사용된다.

 

 

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• 근본적인 문제 해결 위해 양자 잡음에 강한 소재 필요, 위상 큐비트에 관심 높아..

 

지난해 12월 초 IBM이 발표한 퀀텀 컴퓨팅 장기 로드맵에 따르면, 이 회사는 향후 10년 내에 오류 수정이 가능한 양자 컴퓨터를 구축하기 위한 상세하고 신뢰할 수 있는 계획을 제시하고 있다.

 

업데이트를 기반으로 IBM은 156큐비트의 플라밍고(Flamingo) 칩의 여러 반복을 통해 개별 큐비트를 개선함으로써 제대로 작동하는 오류 수정 큐비트를 갖겠다는 것이다.

(※ IBM의 퀀텀 컴퓨팅 장기 로드맵 관련 내용은 추후에 다룰 기회가 있을 것이다.)

 

 

퀀텀 컴퓨팅 기술 발전에도 불구하고 가까운 시일 내에 퀀텀 컴퓨터가 기존 컴퓨터를 대체하기는 힘들 것이라는 의견도 만만치 않다. 앞서 언급했던 양자 잡음에 의한 연산 오류 문제가 있기 때문이다.

 

현재는 양자 잡음을 해결하기 위해 오류 수정 큐비트 알고리즘 수준에서 접근하고 있다. 하지만 근본적인 문제 해결을 위해서는 양자 잡음에 강한 소재가 필요하다.

 

이를 위해 가장 유력한 후보로 거론되고 있는 것이 ‘위상 큐비트(토폴로지 큐비트, Topological qubit)’다. 위상 큐비트는 양자 상태가 위상이라는 특수한 물리적 상태를 만나 양자 잡음의 영향을 받지 않는다.

 

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• 마이크로소프트, 위상 큐비트 사용한 양자 슈퍼컴퓨터 구축 로드맵 발표

 

이와 관련하여 지난해 6월 마이크로소프트(MS)는 수년 동안 연구해 온 토폴로지 큐비트를 사용하여 자체 양자 슈퍼컴퓨터를 구축하기 위한 로드맵을 발표했다.

 

MS 관계자에 따르면, 아직 목표에 도달하기까지는 갈 길이 멀지만 MS가 이러한 토폴로지 큐비트를 사용하여 초당 100만 번의 안정적인 양자 연산을 수행할 수 있는 양자 슈퍼컴퓨터를 구축하는 데 10년이 채 걸리지 않을 것으로 믿는다고 주장했다.

 

이는 전체 업계가 현재의 NISQ 컴퓨팅 시대를 넘어서는 것을 목표로 함에 따른 MS의 야심찬 도전이라 할 수 있다.

 

 

이제 다음 단계는 하드웨어로 보호되는 큐비트를 구축하는 것이며, MS의 관련 개발팀이 이를 구축하기 위한 작업에서 큰 진전을 이루고 있다고 한다. 이러한 큐비트는 작고(한 면이 10미크론 미만) 마이크로초(秒) 이내에 하나의 큐비트 연산을 수행할 수 있을 만큼 빠르다.

 

MS가 발표한 개발 여정은 분명히 야심찬 로드맵이다. MS가 첫 번째 이정표를 달성하는 데 걸린 시간을 감안할 때 개발팀이 이제 얼마나 잘 실행할 수 있는지 기다려야 할 것이다.

 

IBM, IonQ 및 기타 업체들이 비슷한 결과를 목표로 하고 있으면서 큐비트를 구축하기 위해 더 확립된 방법을 사용하고 있기 때문에, 현재 NISQ 시대를 넘어서기 위해 MS를 비롯한 이들 기업들은 일종의 ‘군비 경쟁’을 벌이고 있는 것처럼 보인다(techcrunch, 2023.6.22.).

 

 

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