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실제 세계의 난제 풀 수 있어야
빅테크의 과제.AI와 양자 컴퓨터의 결합

빅테크 기업이 미래에 사용될 양자 컴퓨터에 관심을 쏟고 있다.[사진 챗GPT][한세희 IT 칼럼니스트] 지난 1월 CES 기간 중 젠슨 황 엔비디아 CEO는 “매우 유용한 양자 컴퓨터가 나오려면 15~30년은 걸릴 것”이라고 말했다.덕분에 당시 “일반 슈퍼 컴퓨터로는 우주의 역사보다 오래 걸릴 계산을 5분 만에 해결하는” 구글 양자 프로세서‘윌로우’출시를 계기로 불붙어 오르던 양자 기업들 주가는 일제히 내려 앉았다.얼마 후 마크 저커버그 메타 CEO도 “양자 컴퓨터는 상당한 시간이 걸릴 것”이라며 회의적 의견을 비쳤다. 

반면 구글과 마이크로소프트는 보다 낙관적이다.순다 피차이 구글 CEO는 최근 “실질적으로 유용한 양자 컴퓨터가 5-~0년 내 가능해질 것”이라고 말했다.빌 게이츠 마이크로소프트 창업자 역시 “3-5년 안에 양자 컴퓨터가 실용적으로 유용해질 가능성이 있다”라며 비슷한 전망을 내놨다. 

양자 컴퓨터 상용화 시기는 양자 분야 연구자나 사업가는 물론 양자 기업에 관심 있는 투자자에게도 중요한 문제다.그런데 이 문제에 답하려면 먼저‘유용한’양자 컴퓨터란 무엇을 의미하는지 명확히 할 필요가 있다.이미 양자 컴퓨터는 일부 과학 연구나 산업 현장의 문제 해결에 기여를 하고 있다.큐비트가 천 개 이하이고,오류 수정이 잘 되지 않는 현재 수준의 양자 컴퓨터(NISQ,noisy intermediate-scale quantum)로도 적절한 알고리즘과 방법론을 적용하면 어떤 문제에서는 좋은 결과를 보이기도 한다.이런 의미에서는 우리는 유용한 양자 컴퓨터를 이미 갖고 있다. 

하지만 우리가 기대하는 유용함은 이런 수준을 훌쩍 넘어선다.현존 최고 슈퍼 컴퓨터로도 풀지 못하는 어려운 문제들을 빠른 시간에 풀어 과학이나 산업,베픽 사이트사회의 난제를 해결하는데 기여하는‘양자 우월성’을 보이는 양자 컴퓨터 개발이 이 바닥의 목표다.이것이 젠슨 황이 말한‘매우 유용한,순다 피차이나 빌 게이츠가 말한‘실용적으로 유용한’양자 컴퓨터의 의미에 가깝다. 

양자 컴퓨터는 무엇에 유용한가?
구글은 2018년‘시커모어’양자 프로세서를 공개하며 첫 양자 우월성 달성을 주장했다.지난해 말에는 후속작‘윌로우’프로세서로 연산 속도를 더욱 높였다.시커모어는 슈퍼 컴퓨터로 1만년 걸릴 계산을 3분에 마쳤으나,윌로우는 10의 25제곱년 걸릴 문제를 5분에 푸는 향상을 보였다.다만,시커모어와 윌로우가 푼 것은‘무작위 회로 샘플링(RCS)’이라는,일반 컴퓨터로 푸는데 시간은 매우 오래 걸리지만 현실적 쓸모는 없는 문제이다.이런‘문제를 위한 문제’가 아닌 실제 세계의 난제를 해결할 수 있어야 유용한 양자 컴퓨터라 할 수 있다. 

양자 컴퓨터가 유용하리라 여겨지는 분야로는 물질의 움직임을 분자나 원자 수준에서 예측해야 하는 신약 및 신소재 개발이나 여러 변수 속에서 최적 결과를 찾는 최적화 문제 등이 꼽힌다.양자 현상이 지배하는 미시 세계 물질의 행동을 예측하거나 조작해 유용한 신물질을 찾는 일에는 양자 현상을 모방하는 양자 컴퓨터가 유리하다.양자 컴퓨터는 자연을 시뮬레이션 하는 기계다.여러 중첩된 가능성을 한 번에 연산하는 양자 컴퓨터는 최적화 문제에도 유리하다.물류와 교통,사설 토토 신고 디시금융 시장 예측,기후 변화 모델 구축 등 거대 AI 모델로도 예측하기 힘든 복잡한 현상에 대한 답을 얻을 수 있다. 

오랜 시간이 걸려도 고전 컴퓨터가 풀기 어려운 문제를 양자 컴퓨터가 훨씬 빠르게 푼다 해서 양자 컴퓨터가 모든 분야에서 더 성능이 좋은 것은 아니다.둘은 유용한 분야가 각기 다르다.기존 방식의 슈퍼 컴퓨터는 주로 방대한 데이터를 학습하고 처리해야 하는 문제에 적합하다.반면 양자 컴퓨터는 많은 데이터를 처리하지는 않지만 여러 변수 간 상호작용으로 고려해야 할 결과값들이 기하급수적으로 늘어나는 종류의 문제에 적합하다.신약 후보 발굴을 위한 화학 시뮬레이션 같은 과제가 대표적이다. 

AI와 양자 결합한 하이브리드 컴퓨팅
그래서 기존 슈퍼 컴퓨터를 활용한 AI와 양자 컴퓨터가 결합된 고성능 컴퓨팅 인프라 구축이 빅테크의 과제이다.젠슨 황은 유용한 양자 컴퓨터 등장 시기에 대해 조심스러운 입장을 밝혔지만,정작 3월 예정된 엔비디아 연례행사 GTC에서는 처음으로 대대적인 양자 컴퓨터 세션을 준비했다.마이크로소프트,블랙잭 마틴게일아마존,구글 등도 AI와 양자 컴퓨팅 등을 클라우드 방식으로 제공하려 한다.양자 컴퓨터를 돌려 자연 현상을 예측해 이에 대한 합성 데이터를 만들고,이 데이터로 다시 AI를 학습시켜 성능을 높이는 것도 가능하다. 

이런 일이 가능하려면 큐비트 100만 개 정도를 활용하는 양자 컴퓨터가 필요할 것으로 예상된다.100만개 큐비트를 가진 유용한 양자 컴퓨터 개발을 위해 필요한 것으로 오류 정정 기술 개선,큐비트 품질 향상 및 확장성 확보 등이 꼽힌다. 

구글 윌로우의 핵심은 큐비트 수를 늘여도 양자 오류는 줄일 수 있음을 보인 것이다.최근 마이크로소프트는 위상 큐비트라는 혁신 기술에 기반한 양자 프로세서‘마요라나 1’을 공개했다.위상 큐비트는 오류를 근원적으로 줄일 수 있는 구조이고 확장성도 좋아 이상적 양자 기술로 여겨지지만,에스엠 토토실제 개발이 너무 어려워 실현 가능성에 대한 회의적 시각이 강했다.이번에 마이크로소프트는 위상 큐비트를 구현했고,수 년 안에 손바닥 크기의 칩에 100만개까지 큐비트를 집적할 수 있을 것이라고 밝혔다.아이온큐 같은 기업은 떨어진 곳에 있는 여러 양자 프로세서를 양자 통신으로 서로 얽히게 해 연산 능력을 확장하는 양자 인터넷 기술에 주목한다. 

오류 수정과 큐비트 확장성 등 양자 컴퓨터 상용화의 발목을 잡는 문제들을 해결할 기술적 진전이 일어나고 있다.이런 기술이 성숙하는데 필요한 시간을 20년에서 5년으로 앞당기기 위한 빅테크 간 경쟁이 지금 한창이다.

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