【 청년일보 】 최근 구글은 슈퍼컴퓨터로 10자 년(1025년)이 걸리는 문제를 단 5분 만에 해결하는 새로운 양자 컴퓨팅 칩인 '윌로우(Willow)'를 소개하며 세계를 놀라게 했다.

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 사용하는 비트(Bit) 대신 큐비트(Qubit)를 활용하여 0과 1의 상태를 동시에 처리할 수 있는 중첩과 여러 큐비트 간의 얽힘을 통해 계산 능력을 극대화한다.

중첩의 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 특정 문제에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 정보 처리가 가능하며, 큐비트 수가 증가할수록 처리할 수 있는 정보의 양이 기하급수적으로 증가한다. 그리고 얽힘은 두 큐비트 이상의 상태를 서로 강하게 연관시켜, 하나의 큐비트 상태가 다른 큐비트의 상태와 즉각적으로 연결되는 현상을 의미한다.

'윌로우(Willow)'는 기존 양자 컴퓨터의 가장 큰 문제인 오류율을 획기적으로 줄였는데, 기존 양자 컴퓨터의 경우 외부 요인에 굉장히 예민해 온도, 전파, 자기장 등으로 인해 오류가 발생할 가능성이 매우 높다. 또한 많은 큐비트를 사용할수록 오류율도 높아지게 된다.

하지만 '윌로우(Willow)’는 기존 양자 컴퓨터와는 반대로 큐비트가 많이 모일수록 오류율이 감소하게 됐는데, 3X3 격자(17큐비트) 구조에서 5X5 격자(49큐비트), 7X7 격자(97큐비트)로 큐비트 수가 늘어날 때마다 오류율은 절반 이하로 감소했다.

이는 ‘표면 코드(Surface Code)’라는 기술을 활용한 결과로, 표면 코드란 실제 계산을 수행하는 ‘데이터 큐비트’와 오류를 감지하는 ‘측정 큐비트’를 격자 형태로 배열하여 계산 과정에서 안정성을 보장하는 ‘논리 큐비트’를 만든 후, 측정 큐비트가 오류가 발생한 위치를 감지하면 이를 기반으로 오류를 정정하여 전체적인 오류율을 낮추는 양자 오류 정정 알고리즘이다.

이로 인해 양자 컴퓨터의 실용화가 앞당겨졌다는 평가가 나오지만, 구글의 퀀텀 AI 연구실을 이끄는 하르트무트 네벤 구글 엔지니어링 부사장은 양자 컴퓨터의 실용화는 10년 정도 더 걸릴 것이라고 답했다. 실용적인 양자 컴퓨터를 위해선 수백만 개의 큐비트를 사용해야 하며, 현재의 오류율은 낮지 않기 때문이다.

또한 양자 컴퓨터의 안정성을 위해서는 극저온 및 진공 환경에서 사용해야 하는데, 유지 비용이 높아 실용화의 주요 과제로 남아있다.

그럼에도 양자 컴퓨터가 실용화된다면 수많은 분야에 획기적인 발전을 가져다줄 것임은 분명하다. 특히 구글의 발표 직후 비트코인을 비롯한 코인 주가가 빠르게 하락했는데, 이는 양자 컴퓨터로 인한 블록체인 암호화의 무력화를 염두에 둔 결과였다.

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 비교 불가능한 연산 속도를 제공하기 때문에, 기존 암호화 기술, 특히 해킹이 불가능하다고 여겨지는 블록체인 기술도 안전하지 않다는 판단이다.

이런 양자 컴퓨터로 인한 기존 암호화 기술의 위협은 반대로 새로운 정보보안 발전에 기여할 것이며, 이때 양자 컴퓨터 기술이 접목될 가능성이 높아 보인다.

또한 분자 시뮬레이션을 통한 신약 개발에도 큰 도움이 될 것으로 보인다. 약물 후보 물질과 표적 단백질 간의 상호작용을 분석할 때 엄청난 계산량을 요구하는데, 양자 컴퓨터의 큐비트를 이용한 엄청난 처리 능력 덕분에 계산 시간을 획기적으로 단축할 수 있기 때문이다.

또한 초기 약물 설계 단계의 비용을 크게 줄여 신약 개발 비용도 줄일 수 있고, 나아가 개인의 유전적 정보와 생물학적 데이터를 기반으로 개인 맞춤형 약물을 개발하는 데에도 큰 도움이 될 것으로 보인다.

이뿐만 아니라 엄청난 처리 능력을 바탕으로 금융 포트폴리오 최적화, 배터리 설계 및 에너지 저장 기술의 발전, 새로운 소재의 개발 등의 분야에도 획기적인 발전을 가져올 것으로 기대된다.

2024년은 인공지능에 많은 관심이 쏠렸던 해였다. 인공지능 개발에 필수적인 GPU를 제작하는 엔비디아의 주가가 크게 오르고, 삼성과 애플은 앞다투어 휴대폰에 새로운 인공지능 기술을 적용하기도 했다.

또한 노벨 물리학상과 노벨 화학상을 인공지능 개발자들이 받는 한편, Chat GPT는 갈수록 뛰어난 성능을 자랑하기도 했다. 얼마 전까지만 해도 어색했던 인공지능이란 말이 이젠 우리 일상에서 떼려야 뗄 수 없는 존재가 된 것이다.

하지만 2024년이 끝나갈 무렵 큰 관심을 끌게 된 양자 컴퓨터는 지금까지 인공지능이 우리의 일상에 영향을 끼친 것보다 훨씬 많은 영향을 미칠지도 모른다. 훨씬 뛰어난 인공지능을 제공해 주고, 더 안전한 보안을 제공해 주며, 더 싸고 좋은 약을 우리에게 안겨줄지도 모르는 일이다.

산업공학에서 가장 중요하게 다루는 최적화도 어쩌면 혁신을 맞이하게 될지도 모른다. 모르는 것 투성이지만, 양자 컴퓨터가 우리 일상에 거대한 혁신을 가져오는 날이 왔을 때 뒤처지지 않으려면, 양자 컴퓨터에 지속적인 관심을 가져야 할 것임은 분명한 것 같다.
 

【 청년서포터즈 8기 박성영 】