용어사전

양자컴퓨터

[quantum computer]

양자컴퓨터는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 자료를 처리하는 컴퓨터다.

1982년 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만이 이 개념을 처음 제시했고 1985년에는 영국 옥스퍼드 대학의 데이비드 도이치가 구체적인 양자컴퓨터의 개념을 정리했다. 이 컴퓨터의 특성은 정보를 큐비트(양자비트) 단위로 읽는다는 점이다.


양자컴퓨터는 에너지나 빛의 최소 단위인 전자와 광자 등 양자의 역학을 활용한다. 기존 컴퓨터는 비트단위로 정보를 읽고 0과 1 중 하나를 선택해야 하지만, 큐비트는 0과 1의 값을 동시에 가지는 '중첩 상태'가 될 수 있다.

2큐비트는 4개의 조합된 정보(00, 01, 10, 11)를 동시에 선택한다. 이 성질을 응용하면 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도의 연산이 가능하다. 129자리 자연수를 소인수분해하는 데 일반 고성능 컴퓨터는 1600대로 8개월 걸린다. 양자컴퓨터는 한 대로 수시간 내 연산이 가능하다. 양자컴퓨터가 ‘꿈의 기술’이라고 불리는 이유다.

지난 2011년 캐나다의 벤처기업 디웨이브(D-Wave)가 양자컴퓨터를 개발했다고 발표했으나 일부 과학자들은 디웨이브사의 컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터에 비해 처리속도가 3600배 정도밖에 되지 않으며 판단 능력도 떨어진다며 이를 양자컴퓨터로 정의할 수 있는지에 대한 의문을 제기하기도 한다.

2019년 구글은 양자칩 '시카모어'를 활용해 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 문제를 단 3분 만에 풀어냈다.
양자 컴퓨터가 상용화되면 전 세계 금융 시스템을 다시 짜야 한다. 슈퍼컴퓨터로 수십 년을 풀어야 하는 250자리 암호체계가 몇 분 만에 무력화되기 때문이다. 비트코인과 같은 가상화폐 ‘채굴’ 역시 식은 죽 먹기다. 4차 산업혁명의 핵심 기술인 AI도 비약적으로 발전할 것이란 분석이다. 방대한 데이터를 학습하는 데 걸리는 시간을 줄일 수 있어서다.

양자컴퓨터는 절대온도(-273.15도)에 가까운 극저온에서만 작동하는 초전도 회로가 들어간다. 냉각 장치 때문에 덩치가 클 수밖에 없다. MS는 양자컴퓨터를 서버처럼 활용하고 클라우드를 통해 일반 컴퓨터와 연결해 사용하게 될 것으로 전망했다.
물질의 복잡한 배합을 빠른 시간에 계산할 수 있어 소재 및 신약 개발, 인공지능(AI) 활용 등 다양한 분야에서 산업 경쟁력을 끌어올릴 것으로 기대된다.

<>앞서 나가는 미국, 맹추격하는 중국
양자컴퓨터는 암호 해독과 사이버보안 등 군사용으로 활용할 수 있어 국가 안전보장과 직결되는 기술로도 평가된다. 이 때문에 미국과 중국이 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있다. 미국은 구글과 IBM 등 정보기술(IT) 기업들이 개발을 주도하고 있고 중국은 대학 연구기관이 중심적인 역할을 하고 있다. 2019년 구글이 양자초월(양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 성능을 앞서는 단계)에 도달하자 1년 뒤인 2020년 중국과학기술대가 양자초월을 달성했다.

양자컴퓨터의 주류인 초전도 방식은 초저온 상태에서 전기저항을 ‘제로(0)’로 만든 회로에서 연산하는 방식이다. 구글은 양자컴퓨터의 성능을 53큐비트(양자 정보의 기본 단위)까지 끌어올렸고, IBM은 지난달 큐비트를 127까지 끌어올릴 수 있는 프로세서를 개발했다고 발표했다. 일본에선 이화학연구소와 후지쓰 등이 초전도 방식 양자컴퓨터를 개발 중이다.

초전도 방식은 배선이 복잡하고 냉동기를 갖춰야 하는 등 과제도 많다. 이 때문에 일본은 지금까지와 다른 방식의 양자컴퓨터로 미국과 중국을 단숨에 넘어서려는 시도를 하고 있다. NTT와 도쿄대의 광 양자컴퓨터도 이런 시도 중 하나다. 히타치제작소는 양자컴퓨터를 대형화하기 쉬운 실리콘 방식 기술을 개발하고 있다.

2024년 현재, 양자컴퓨터 개발 분야에서 주요 기업들의 경쟁이 치열해지고 있다.
2024년 12월 구글(Google)은 최신 양자 컴퓨팅 칩 '윌로우(Willow)'를 발표했다. 105개의 큐비트를 탑재한 윌로우는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10^25년(약 10조 7천억 년)이 걸리는 계산을 5분 이내에 수행할 수 있다. 또한 윌로는 큐비트를 추가할수록 오류율이 절반씩 감소하도록 개선됐다. 테크업계에서는 “꿈만 같던 오류 없는 양자 알고리즘을 실현할 가능성을 보여줬다”는 찬사가 나왔다.

같은 달, 중국에서도 중국과학원, 중국 텔레콤 양자 그룹(CTQG), 퀀텀시텍(QuantumCTek)이 공동으로 504큐비트 초전도 양자컴퓨터인 톈옌-504(Tianyan-504)를 개발했다. 주요 성능 지표에서 IBM 등 세계 최고 수준의 양자컴퓨팅 플랫폼과 견줄 만한 수준으로 평가받고 있다.

관련어

• 참조어양자암호통신, 양자연구집중지원법, 윌로우