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‘양자 초월’ 실증, 사회 변혁도 가능
구글이 양자컴퓨터로 성공, 실용까지의 과제

구글이 차세대 컴퓨터인 양자컴퓨터를 이용해 슈퍼컴퓨터보다 극도로 짧은 시간에 복잡한 계산 문제를 풀어내는데 성공했다. 국내 양자컴퓨터 연구의 제 1인자로 영국 과학잡지 네이처에 게재된 구글의 논문 평가를 담당한 오사카대학의 후지이(藤井) 교수는 “새로운 원리를 통해 계산하는 컴퓨터 개발의 중요한 한 걸음이라고 할 수 있다”라며 미래의 사회변혁으로 이어질 가능성이 있다고 평가했다.

-- ‘순조로운 진전’, 실용엔 과제 남아 --
구글은 이번에 양자컴퓨터가 기존의 컴퓨터로는 해결하기 어려운 문제를 풀어내는 ‘양자 초월(Quantum supremacy)’을 실증했다. 랜덤 숫자(난수)를 만드는 문제를 준비해 최첨단 슈퍼컴퓨터로 약 1만년 걸리는 것을 3분 20초 만에 풀어냈다고 한다.

후지이 교수는 “과거에 수십 년 간 거액의 자본을 투자해 개발한 고성능 컴퓨터가 현재 실현되고 있지만, 이를 뛰어넘는 물리적 구조의 컴퓨터는 지금까지 존재하지 않았다”라며 이번 성과를 평가했다.

구글은 ‘0’과 ‘1’이 중첩된 53개의 ‘양자비트(Q-bit)’를 계산에 이용했다. 큐비트를 만드는 것은 고도의 기술이 필요해 5년 정도 전 시점에는 5개 큐비트에 불과했다. 후지이 교수는 큐비트 규모를 확대할 수 있었던 배경으로 직선으로 나열되었던 큐비트를 2차원적으로 나열하는 방법을 실현하는 등을 예로 들며 “너무나 순조로운 진전이다”라고 말했다.

구글이 준비한 계산 문제에 대해 IBM은 “슈퍼컴퓨터로도 이틀 반이면 풀 수 있다”라고 주장하고 있다. 이 점에 대해 후지이 교수는 “설득력이 있다”라고 인정하면서도 “하지만 양자컴퓨터가 더 빠른 것은 사실이다”라고 말했다 논쟁이 되고 있는 양자컴퓨터의 우위성이 앞으로 확실해질 것이라는 생각도 밝혔다.

하지만 본격적인 양자컴퓨터의 실현에는 시간이 걸린다. 구글의 성과가 라이트 형제의 첫 유인 비행에 필적한다는 평가도 있지만, “비행기에 비유한다면 궁극적으로 개발하려는 양자컴퓨터는 그보다 더욱 진화한 로켓이다. 폭 넓은 분야에 도움이 되는 문제들을 해결할 수 있으려면 큐비트 수가 100만~1억 단위가 필요하다”라고 말한다.

또한 후지이 교수는 1천 개 큐비트 이상으로 규모를 확대하기 위해서는 배선 등 새로운 기술이 필요하게 될 것이라고 지적. “현재 부족한 개발 인재를 어떻게 확보할 것인가가 중요하다”라고 말했다.

-- 일본도 연구 지속해야 --
해외에서는 구글과 IBM, 중국의 알리바바그룹 등이 양자컴퓨터 개발에 주력하고 있다. 기초적 연구에서 주목 받는 성과를 올린 일본에 대해 ”앞으로의 개발은 20년이 걸리는 레이스이다. 지금 단계에서 연구를 포기해버리는 것은 리스크가 너무 크다”라며 연구를 추진해야 한다고 후지이 교수는 주장했다.

또한 “양자컴퓨터 개발에서 어려운 것은 제어를 위한 일렉트로닉스와 마이크로파 기술 등이다. 이러한 기술들을 개발한다면 구글도 사용할 수 밖에 없게 된다”라고 말하며 주변 기술뿐만 아니라 소프트웨어 분야에서도 승부할 수 있다는 생각을 밝혔다.

-- 에너지 대책에 선택지 --
양자컴퓨터의 이용에 대해서는 최첨단 물성물리학 및 화학 등의 분야에서 “곧 이용할 수 있게 될 것이다”라고 언급. “(양자컴퓨터의 활용을 통해) 식물 광합성 시스템이 밝혀져 인공 광합성이 실현된다면 에너지 문제 해결을 위한 중요한 선택지가 될 것이다”라는 기대를 밝혔다.

식량 생산에 꼭 필요한 암모니아 합성에서도 에너지 효율로 이어지는 획기적인 촉매 등이 실현될 가능성이 있다고 한다. 양자컴퓨터의 보급이 본격적으로 추진된다면 통신 네트워크 및 보안에 큰 영향을 미치게 될 것이라며 “사회시스템이 달라질 것이다”라고 전망했다.

▶양자컴퓨터: 아인슈타인의 상대성이론과 함께 현대 물리학의 토대가 되고 있는 ‘양자역학’ 이론을 응용한 컴퓨터. 개념은 1980년대에 제창되어 1990년대에 실현을 위한 연구가 활발해졌다. 2010년대에 들어 IT대기업 및 벤처기업들의 개발이 활발, 현재는 ‘제2차 붐’이라고도 일컬어지고 있다.

양자역학이 다루는 극미의 세계에서는 일상의 감각으로는 이해하기 어려운 불가사의한 현상이 일어날 수 있다. 양자컴퓨터에서는 ‘0인 동시에 1’인 상태(양자비트)가 계산의 단위이다.

기존의 컴퓨터가 ‘0’ 또는 ‘1’ 중 하나로 정보를 표시하는데 반해, 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 표시해 방대한 데이터도 한번에 계산할 수 있음으로써 계산 회수가 크게 줄어 시간 단축으로 이어진다.

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