• 1. 블록체인만큼 '양자컴퓨팅'도 미국과 중국을 중심으로 경쟁적 연구개발이 진행 중
• 2. 양자컴퓨팅에 대한 이해
• 3. 양자컴퓨팅 시장 및 활용, 성장전망
• 4. 관련기업 및 ETF

최근 블록체인이 다양한 형태로 시장을 뜨겁게 달구고 있습니다. 블록체인이 방패(보안)를 추구한다면, 양자컴퓨팅은 이를 연산해서 뚫을 수 있는 창(槍)으로, 이에 대한 연구개발 역시 중국과 미국을 중심으로 뜨겁게 진행 중입니다. 2019년 10월 비트코인이 급락하는 사건이 있었는데, 이는 구글이 블로그와 과학전문지 네이처를 통해 양자컴퓨터 칩 '시커모어'를 이용한 양자컴퓨터의 성능을 게재했기 때문입니다. 2021년 중국 연구팀은 구글의 양자컴퓨터보다 100만 배 이상 복잡한 계산을 할 수 있는 양자컴퓨터를 개발해 중대한 진전을 이뤘다고 보도했습니다. 과거 미국과 소련의 '우주전쟁'만큼 '퀀텀 수프리머시'를 놓고서도 미-중 간의 경쟁 역시 치열해지는 양상을 보임에 따라 양자컴퓨터에 대해 아주 간단히 살펴보고자 합니다.

양자컴퓨터란?

컴퓨터란 아주 빠른 계산기라는 것은 누구나 알고 있으며, 연산을 위해 2진법(0 또는 1)을 사용합니다. 아래 <그림1>과 같이 예를 들어 자릿수가 1개면 1bit, 2개면 2bit(연산 단위인 1Bit에 0 또는 1의 선택을 통해 연산 및 해답을 찾아가는 성능 좋은 계산기)입니다. 일반 컴퓨터의 연산능력은 2의 승수로 계산이 되는데 예를 들어 10개 bit의 문제를 병렬 연산 시 2의 10승 즉, 1024개 중 1개를 선택하게 됩니다.

양자컴퓨터는 Bit가 아닌 Qubit를 사용하는데 Qubit는 양자역학의 중첩 개념을 활용해 연산속도를 기하급수적으로 향상시킨 컴퓨터로 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 연산이 가능합니다. 중첩이란 정의 그대로 '거듭 겹치거나 포개어짐'이란 뜻으로 여러 현상이 동시에 나타날 수 있는 것입니다. 이는 양자역학의 기본원리로 '양자 얽힘'이라고도 하는데, 두 입자가 항상 반대 방향으로 돈다고 가정할 때, 측정(관측) 전까지 두 입자의 상태를 알 수 없지만 한 입자를 측정(관측)한 순간 그 입자의 상태가 결정되며 마치 그 정보가 순식간에 전달된 것처럼 다른 입자 상태를 결정하게 되는 개념입니다.

즉, 여러 가지 다른 상태가 동시에 나타날 수 있으며, 관측을 통해 상태가 결정되는 것을 의미하는데, 그 유명한 <슈뢰딩거의 고양이 실험>이 이를 잘 설명해 줍니다. 이 사고실험(思考)은 사실 슈뢰딩거가 양자역학을 반박하기 위해 만들었으나, 양자역학을 설명하게 된 실험입니다.

• 1. 밀폐된 상자(이중슬릿) 속에 독극물(독가스 또는 방사성 물질 등)이 든 병과 고양이를 함께 넣는다.
• 2. 가정은 고양이와 독극물은 서로 닿지 않는 상황
• 3. 독극물 병에는 망치가 연결되어 있고, 전자가 파동일 경우 망치가 작동하지 않지만 입자일 경우 망치가 작동
• 4. 양자물리학에선 관측으로 결정되지 않는 이상 전자는 파동이자 입자. 그렇다면 망치는 작동하거나 작동하지 않고, 독극물 병은 깨지거나 깨지지 않고 고양이는 죽거나 죽지 않는 상태여야 함.

이 사고실험으로 슈뢰딩거는 전자는 그럴 수 있다고 치지만 현실세계의 고양이가 '죽거나 살아있는' 상태가 불가능하다는 점에서 양자역학을 비판합니다. 이에 닐스보어는 '고양이도 파동이다. 그러나 수 많은 관측자가 존재하기 때문에 현실에선 파동형태의 고양이가 존재할 수 없다'고 반박하며 세상 모든 것들이 파동이자 입자라는 중첩의 개념을 설명합니다.

Qubit는 이러한 양자역학의 중첩 개념을 적용해 한 bit 내에 0 또는 1을 동시에 수행하며 처리속도를 혁신적으로 높이게 됩니다. 인천에서 서울까지 간다고 할 때, 10가지 경로가 있는데 최적화된 경로를 찾기 위해 일반 컴퓨터는 10가지 경로를 하나씩 거치면서 최적 경로를 찾아낸다면 양자컴퓨터는 결과가 관측되기 전까지 동시다발적으로 모든 경우의 수를 통해 최적 경로를 찾아내는 구조로, 그 결과는 Qubit에 저장됩니다. 이를 통해 아주 복잡하고 어려운 문제를 빠른 속도로 연산처리하는 것이 양자컴퓨터입니다. 이러한 양자컴퓨터의 빠른 연산으로 인해 방패(보안)로 상징되던 블록체인에 대한 우려가 2019년도의 비트코인 급락으로 이어졌습니다.

우주산업 등 다양한 방면에서 활용도가 높을 것

아직 양자컴퓨터와 현존하는 슈퍼컴퓨터에 대해 직접 비교한 데이터가 많지는 않지만 구글의 '시커모어'가 IBM의 슈퍼컴퓨터로 이틀 반이 걸려 계산한 문제를 3분 20초만에 계산을 해내며, 약 1,000배 수준 빠른 연산이 가능하다는 것을 보여줬습니다. 이러한 격차는 향후 양자컴퓨터의 완성도가 높아지며 더욱 더 벌어질 것이고 해당 연산능력은 과학, 클라우드(현재 아마존은 양자컴퓨팅을 활용한 클라우드를 제공), 우주, 솔루션(IBM의 퀀텀네트워크 등) 등 다방면에서 활용되어 성장할 것으로 기대됩니다.