지난해 말, IBM은 433퀀텀비트(quantum bit, 줄여서 큐비트(qubit)라고도 부르는 양자 정보처리의 기본 단위)의 프로세서를 갖춘 최대 규모의 양자컴퓨터를 개발하는 기록을 남겼다. 이제 IBM은 그보다 훨씬 더 큰 목표를 세웠다. 그 목표는 10년 안에 10만 큐비트의 양자컴퓨터를 개발하는 것이다.

IBM은 5월 22일 일본 히로시마에서 열린 G7 정상회의에서 이러한 계획을 발표했다. IBM은 도쿄 대학교(University of Tokyo) 및 시카고 대학교(University of Chicago)와 1억 달러(약 1,328억 원) 규모의 협력 계획을 통해 양자컴퓨팅 시스템을 구현할 계획이다. 계획이 실현된다면 일반 슈퍼컴퓨터로는 해결할 수 없는 시급한 문제를 양자컴퓨팅 기술로 해결하는 일이 가능해질지도 모른다.

아니면 슈퍼컴퓨터 단독으로는 해결할 수 없는 문제를 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터의 협력을 통해 해결할 수 있을지도 모른다. 이번 계획을 통해 이들이 바라는 것은 10만 큐비트 양자컴퓨터가 최고의 ‘고전적인’ 슈퍼컴퓨터와 협력하여 신약 개발, 비료 생산, 배터리 성능 및 그 외의 수많은 다른 응용 분야에서 새로운 돌파구를 찾아내는 것이다. IBM의 양자컴퓨터 부문 부사장 제이 감베타(Jay Gambetta)는 5월 셋째 주 런던에서 있었던 MIT 테크놀로지 리뷰와의 대면 인터뷰에서 “나는 이것을 양자 중심 슈퍼컴퓨팅(quantum-centric supercomputing)이라고 부른다”라고 설명했다.

양자컴퓨팅은 기본 입자의 고유한 특성을 이용해서 정보를 보유하고 처리한다. 기본 입자에 해당하는 전자, 원자, 저분자 등은 동시에 여러 에너지 상태로 존재할 수 있는데 이 현상을 ‘중첩(superposition)’이라 부르며, 이러한 상태에 있는 입자들은 서로 연결되어 얽힐 수 있다. 이는 정보가 새로운 방식으로 암호화되고 조작될 수 있음을 의미하며, 이를 통해 고전적인 방식으로는 불가능했던 수많은 컴퓨터 작업이 가능해질 수 있다.

그러나 아직 양자컴퓨터는 일반적인 슈퍼컴퓨터의 능력을 뛰어넘는 유용한 일을 해내지 못했다. 이는 대체로 양자컴퓨터가 충분한 큐비트를 가지지 못했기 때문이며, 물리학자들이 ‘노이즈(noise)’라고 부르는 아주 작은 ‘섭동(perturbation)’에 의해서도 양자컴퓨팅 시스템에 쉽게 문제가 생기기 때문이기도 하다.

연구원들은 노이즈가 있는 시스템이라도 잘 활용할 수 있는 방법을 모색해왔지만, 진정으로 유용한 양자컴퓨팅 시스템을 구현하려면 노이즈로 인한 오류 수정에 큐비트의 상당 부분을 할애할 수 있도록 시스템의 규모를 크게 확장해야 한다고 생각하는 사람이 많다.

IBM 외에도 큰 목표를 세운 곳들이 있다. 구글은 2030년까지 100만 큐비트 구현을 목표로 하고 있다. 그러나 오류 수정에 사용되는 큐비트를 감안하면 100만 큐비트라고 해도 연산에는 고작 1만 큐비트만 사용할 수 있을 것이다. 미국 메릴랜드에 본사를 둔 아이온큐(IonQ)는 2028년까지 1,024개의 ‘논리 큐비트(logical qubit)’를 갖는 양자컴퓨터  개발을 목표로 삼고 있다. 각각의 큐비트는 13개의 물리적 큐비트로 구성된 오류 수정 회로에서 형성되어 연산에 사용된다. 구글과 마찬가지로 팰로앨토에 본사를 둔 사이퀀텀(PsiQuantum)도 100만 큐비트 양자컴퓨터 개발을 목표로 하고 있지만, 목표 달성에 필요한 기간이나 오류 수정에 필요한 큐비트 수 등은 밝히지 않았다.

이처럼 오류 수정에 큐비트가 사용되기 때문에 양자컴퓨터의 성능을 논할 때 물리적 큐비트 수를 언급하는 것은 사실 본질을 호도하는 행위이다. 양자컴퓨터에서 정말 중요한 것은 큐비트 구현 방법에 대한 세부 사항이며, 이는 노이즈에 대한 시스템의 회복력과 작동의 용이성 등에 영향을 준다. 양자컴퓨터 관련 기업들은 일반적으로 ‘양자 볼륨(quantum volume)’과 ‘알고리즘 큐비트(algorithmic qubit)’ 수 같은 추가적인 성능 측정 수단을 제공한다. 앞으로 10년 동안은 오류 수정, 큐비트 성능, 소프트웨어 기반 오류 ‘완화’의 발전뿐만 아니라 다양한 큐비트 유형 간의 차이점으로 인해 양자컴퓨팅 개발 경쟁이 더 심화될 것이다.

하드웨어 정제

IBM의 큐비트는 현재 초전도체 고리로 만들어지며, 이러한 고리는 거의 절대 0도에 가까운 밀리켈빈(mK)의 극저온에서 원자와 동일한 방식으로 작동한다. 이론적으로 이러한 큐비트는 대규모로 함께 작동될 수 있다. 그러나 IBM의 자체 로드맵에 따르면 IBM이 구축하고 있는 양자컴퓨터는 현재 기술로 5,000큐비트까지만 확장할 수 있다. 대부분의 전문가들은 그 정도 규모로는 유용한 계산을 통해 많은 결과를 산출하기에 충분하지 않다고 말한다. 강력한 성능의 양자컴퓨터를 만들기 위해서 엔지니어들은 계속해서 연구해야 할 것이며, 연구를 성공적으로 수행하려면 신기술이 필요할 것이다.

그러한 신기술의 한 가지 예로는 훨씬 더 에너지 효율적으로 큐비트를 제어하는 기술이 있을 수 있다. 현재 IBM의 초전도 큐비트 하나를 작동시키려면 약 65W의 전력이 필요하다. 감베타는 “10만 큐비트를 작동시키려면 엄청난 에너지가 필요할 것이다. 기계 하나를 만들기 위해 건물 크기만 한 시스템과 원자력 발전소, 그리고 10억 달러가 필요할 것이다. 터무니없는 수준이다. 5,000에서 10만 큐비트로 가기 위해서는 반드시 혁신이 필요하다”고 말한다.

IBM은 이미 ‘상보성 금속 산화물 반도체(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)’ 기술을 기반으로 하는 집적회로를 저온의 큐비트 옆에 설치하여 수십 밀리와트만 가지고도 큐비트를 제어할 수 있음을 보여주는 원리증명(proof-of-principle) 실험을 수행한 바 있다. 감베타는 이 실험을 제외하면 양자 중심 슈퍼컴퓨팅에 필요한 기술이 아직 존재하지 않는다는 사실을 인정한다. 이는 학술 연구가 이번 프로젝트에서 필수적인 부분인 이유이다.

IBM의 큐비트는 IBM 연구소에서 이제 막 형태를 갖추기 시작한 모듈식 칩을 통해 구현될 것이다. 모듈 방식은 단일 칩에 큐비트를 충분히 구현할 수 없는 경우에 필수적이며, 모듈 간 양자 정보를 전송하는 상호 연결을 필요로 한다. IBM이 현재 개발 중인 ‘쿠카부라(Kookaburra)’는 양자통신 링크를 제공하는 1,386큐비트의 멀티칩 프로세서로 2025년에 출시될 예정이다.

필요한 다른 혁신들은 대학교 연구팀의 몫이다. 감베타는 도쿄대와 시카고대의 연구원들이 최종 제품에서 중요한 부분이 될 수 있는 부품과 통신 혁신 등의 분야에서 이미 상당한 성과를 이루었다고 말한다. 그는 앞으로 10년간 더 많은 산학 협력이 있을 것이라고 생각한다. 감베타는 “우리는 대학들이 최고의 연구를 할 수 있도록 도와야 한다”고 말한다. 구글도 같은 생각이다. IBM과 별도로 구글도 두 대학교의 양자컴퓨팅 연구에 5,000만 달러를 투자하고 있다.

감베타는 양자컴퓨팅 산업에 ‘양자컴퓨팅 과학자’가 더 많이 필요하다고 말한다. 이들은 양자컴퓨팅 기계를 만드는 물리학자와 유용한 알고리즘을 설계하고 구현하려는 개발자 사이의 간극을 메울 수 있다. 

양자컴퓨팅 시스템에서 실행되는 소프트웨어도 매우 중요할 것이다. 감베타는 “우리는 양자컴퓨팅 산업을 가능한 한 빠르게 구축하고 싶고, 이를 위한 가장 좋은 방법은 사람들이 우리의 기존 소프트웨어 라이브러리와 동등한 수준의 양자컴퓨팅 소프트웨어를 개발하도록 하는 것”이라고 말한다. 이는 IBM이 지난 몇 년 동안 자사의 시스템을 학계의 연구원들이 사용할 수 있게 하려고 노력해온 이유이기도 하다. 그는 “IBM의 양자 프로세서는 양자컴퓨팅에 대한 최소한의 이해만 있어도 활용할 수 있는 맞춤형 인터페이스를 사용하는 클라우드로 작동할 수 있다”고 말한다. 그는 IBM의 양자 장치를 사용하는 실험에 대해 작성된 연구 논문이 2,000건 이상이라고 말하며 “이는 혁신이 일어나고 있다는 좋은 징후”라고 강조한다.

이 프로젝트에 투입된 1억 달러가 10만 큐비트라는 목표 달성에 충분하리라는 보장은 없다. 감베타는 “분명 위험성이 있다”고 말한다.

싱가포르에 본사를 둔 양자 소프트웨어 개발업체 호라이즌퀀텀(Horizon Quantum)의 CEO 조 피츠시먼스(Joe Fitzsimons)도 이에 동의한다. 그는 “목표 달성까지 아무런 문제도 없이, 순조롭게만 진행될 가능성은 없다”고 말한다.

그러나 그는 이것이 감수해야 할 위험이라고 덧붙인다. 양자컴퓨팅 산업은 실패에 대한 두려움에 직면해야 하며 대규모 양자컴퓨팅 시스템 개발에 필요한 기술적 과제를 극복하기 위해 노력해야 한다. 피츠시먼스는 IBM의 계획이 합리적인 것처럼 보이지만 잠재적인 장애물이 많다고 지적한다. 그는 “10만 큐비트 정도의 규모에서는 제어 시스템이 목표 달성을 제한하는 한 가지 요인이 될 것이다. 합리적으로 효율적인 방식으로 그렇게 많은 큐비트를 지원하려면 제어 시스템에 상당한 발전이 있어야 할 것”이라고 말했다.