기존의 컴퓨터로 10억 년이 소요되는 문제를 단 100초 만에 해결하는 컴퓨터가 있습니다. 이른바 ‘컴퓨터의 끝판왕’이라 불리는 양자컴퓨터(Quantum Computer)가 바로 그 주인공인데요. 슈퍼컴퓨터로도 1만 년이 걸리는 연산을 양자컴퓨터는 단 3~4분만에 끝낼 수 있습니다.

양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터로 해결하지 못했던 금융과 화학, 바이오, 환경 등 사회의 복잡한 난제를 해결함으로써 인류의 모든 삶을 송두리째 바꿀 전망입니다. 4차 산업혁명을 완성할 양자컴퓨터는 우리 삶에 어떤 혁신을 가져올까요?

‘연산 끝판왕’ 양자컴퓨터란?

양자컴퓨터란 기존의 컴퓨터가 반도체를 사용하는 것과 달리 원자를 기억소자(memory element)로 활용하며, 슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 미래형 컴퓨터라 불립니다.

현재 우리가 사용하는 개인용컴퓨터나 슈퍼컴퓨터는 정보의 단위로 비트(bit)를 사용하는데요. 모든 데이터가 0 혹은 1의 값만 갖는 이진법을 따릅니다. 반면 양자컴퓨터는 비트가 아닌 양자 정보의 기본 단위인 큐비트(qubit, quantum bit)를 정보의 단위로 사용합니다. 큐비트는 비트와 달리 0과 1이 공존할 수 있기 때문에 기존 컴퓨터보다 효율적으로 계산을 수행하는 게 가능해집니다. 예를 들어 만약 0과 1이 있다고 가정해 보겠습니다. 이진법을 사용하는 비트는 2개의 정보(0, 1)를 처리할 수 있지만, 큐비트는 0과 1이 공존할 수 있기 때문에 4개의 정보(00, 01, 10, 11)로 처리하는 게 가능합니다. 더 많은 큐비트가 얽힐수록 처리 가능한 정보량은 2의 제곱수로 늘어나게 되는데요. 이러한 원리로 양자컴퓨터는 빠른 속도로 연산처리를 할 수 있습니다.

슈퍼컴퓨터보다 30조 배 이상 빠른 양자컴퓨터

큐비트를 정보저장 단위로 사용하면 기존의 컴퓨터와 비교해 훨씬 더 빠른 속도로 연산을 처리할 수 있습니다. 이는 연산의 방식이 각각 직렬과 병렬으로 다르기 때문인데요. 예를 들어 미로에서 출구를 찾는다고 가정해 보겠습니다.

기존 디지털컴퓨터는 미로에 있는 길을 하나씩 직접 가보면서 여러 번의 시행착오 끝에 최적의 경로를 찾아내는데요. 반면에 양자컴퓨터는 갈 수 있는 모든 경로를 동시에 탐색해 단 한 번 만에 출구를 찾아냅니다. 길을 찾아내는 방식이 완전히 다른 것인데요. 병렬 계산이 가능한 양자컴퓨터는 이론상 슈퍼컴퓨터보다 30조 배 이상, 기존 컴퓨터보다 1경 배 이상 빠른 속도로 연산처리가 가능합니다

구글이 2019년 10월 개발한 50큐비트 급 양자컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)‘는 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸린다는 복잡한 연산문제를 단 200초 만에 풀어냈는데요. 양자컴퓨터의 초고속 연산능력을 활용하면 신약 개발이나 암호 해독, 금융·교통·전력 분배 문제 등 모든 영역에서 혁신적인 해법을 찾아낼 수 있습니다. 양자컴퓨터를 통해 한계가 없는 ‘무한시대’를 열 수 있게 되는 셈인데요. 양자컴퓨터를 두고 ‘4차 산업의 완성자’이자 ‘꿈의 컴퓨터’라고 말하는 이유입니다.

양자컴퓨터가 열 ‘무한시대’는?

양자컴퓨터의 초고속 연산능력은 현재로선 해독 불가능한 각종 통신 네트워크와 군사시스템, 국가 보안망 등의 암호체계를 순식간에 뚫어낼 만큼 위력적입니다. 미래에 등장할 드론과 플라잉택시, UAM(도심항공교통) 등 에어 모빌리티 사회에서 사고가 없는 최적의 경로를 실시간으로 찾아내 제공할 수 있는데요. 시장 상황을 정확히 예측해서 투자 포트폴리오를 최적화해줄 수도 있고, 원자의 결합패턴을 계산해 신소재나 신약을 개발해낼 수도 있습니다. AI를 고도화해 대체 에너지를 개발하거나 기후와 환경변화를 예측해 태풍, 지진, 쓰나미, 지구 온난화 등 지국적 난제를 해결하는 것도 충분히 가능해집니다.

글로벌 IT기업 양자컴퓨터 개발 경쟁

IBM, 구글, 마이크로소프트, 아마존웹서비스, 후지쯔 등 전세계 IT 기업들은 양자컴퓨터 개발 경쟁을 벌이고 있습니다. IT 기업들은 10여 년 전부터 양자컴퓨터에 대한 대규모 연구개발을 진행해 현재 72~100큐비트 급에 이르는 양자컴퓨터를 개발하는 데 성공했습니다.

국가별로 살펴보면 미국은 2018년 양자법을 제정해 양자컴퓨터를 개발하는 데에 5년간 13억 달러를 투자하고 있습니다. 중국은 무려 미국의 10배 이상 규모를 R&D에 투자 중인데요. 유럽과 일본도 양자컴퓨터 개발에 각각 10억 유로와 2,000억 엔 규모를 투자할 계획이라고 합니다.

한국은 향후 5년간 약 490억 원의 투자 계획을 세우고 있습니다. 2026년까지 50큐비트 급 양자컴퓨터를 개발할 방침이며, 나아가 2031년에는 ‘양자 아르파넷(ARPAnet)’을 구축하여 양자인터넷망을 구현하는 것을 목표로 삼았습니다. DX전문기업 LG CNS도 지난해 한국후지쯔와 ‘양자 디지털 어닐러(Quantum-Inspired Digital Annealer) 기반 수학적 최적화 알고리즘 개발 협력 MOU’를 체결하고, 교통, 금융, 제약/화학 등 다양한 산업 영역의 난제들을 해결하기 위해 준비 중입니다.

양자컴퓨터는 곧 우리 앞에 무한시대를 열게 될 텐데요. 양자컴퓨터 개발을 발빠르게 준비할수록 앞서가는 미래를 만들 수 있습니다 .

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글 | 최은수 | 미래경영전략학 박사·MBN 보도본부장