[서울=뉴시스]윤현성 기자 = 인류 역사상 가장 빠른 계산기로 불리는 슈퍼컴퓨터가 수만년에 걸쳐 풀어야 할 난제를 단 몇 초 만에 해결하는 시대가 머지않았다.

기존 디지털 컴퓨터는 0 아니면 1, 둘 중 하나만 선택해야 하는 이진법의 세계에 갇혀 있었다. 반면 양자컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재하는 '중첩'과 멀리 떨어진 입자가 서로 연결되는 '얽힘'이라는 신비로운 원리를 이용한다.

연산 속도를 기하급수적으로 높이는 비결이다. 전문가들은 이를 두고 "주판을 쓰던 시대에서 스마트폰을 쥔 시대로 도약한 수준의 차이"라고 평가한다.

양자컴퓨터의 핵심은 정보의 최소 단위인 '큐비트(Qubit)'다. 기존 컴퓨터의 비트(Bit)가 0 또는 1 중 하나의 상태만 가질 수 있는 것과 달리, 큐비트는 양자역학의 중첩 원리를 이용해 0과 1을 동시에 가질 수 있다.

이 차이는 연산 성능에서 압도적인 격차를 만든다. 비트 기반의 컴퓨터가 2비트로 00, 01, 10, 11 중 한 번에 하나의 상태만 처리할 수 있다면, 큐비트는 2큐비트만으로 4가지 상태를 한 번에 연산한다.

큐비트 수가 늘어날수록 연산 능력은 2의 n제곱으로 폭발한다. 가령 1큐비트는 2의 1제곱인 2가지 상태, 2큐비트는 2의 2제곱인 4가지 상태, 10큐비트는 2의 10제곱인 1024가지 상태를 한 번에 처리할 수 있다. 이론적으로 300큐비트 정도만 확보해도 우주에 존재하는 모든 원자 수보다 많은 데이터를 동시에 처리할 수 있게 된다.

양자역학에서 파생된 또 다른 핵심 원리인 얽힘은 한 입자의 상태가 결정되면 멀리 떨어진 다른 입자의 상태도 즉각 결정되는 현상이다. 이를 활용하면 여러 큐비트를 하나로 묶어 복잡한 데이터를 병렬로 처리할 수 있어 기존 알고리즘으로는 해결 불가능했던 초고난도 계산이 가능해진다.

양자컴퓨터를 실제로 구현하는 방식에 대해서는 글로벌 빅테크와 연구기관들 사이에서 치열한 주도권 경쟁이 벌어지고 있다. 현재 가장 앞서나가는 방식은 구글과 IBM이 주도하는 '초전도(Superconducting)' 방식이다.

전기 저항이 없는 초전도 회로를 이용해 양자 상태를 제어한다. 연산 속도가 빠르고 기존 반도체 공정을 그대로 쓸 수 있다는 게 장점이다. 다만 영하 273도의 극저온 상태를 유지하기 위한 거대한 냉각 장치가 필수다. 주변 환경에 민감해 양자 상태를 유지하는 시간(결맞음 시간)이 짧다는 점도 숙제다.

반면 양자 부문 유망 스타트업 아이온큐(IonQ) 등이 채택한 '이온트랩(Ion Trap)' 방식은 전자기장을 이용해 원자를 공중에 띄워 제어한다. 초전도 방식에 비해 상온 작동 가능성이 높고 양자 상태의 안정성이 뛰어나다. 하지만 연산 속도가 초전도 방식 대비 100~1000배 가량 느리고 큐비트 숫자를 대량으로 늘리기가 기술적으로 어렵다.

이외에도 빛의 입자인 광자를 이용하는 광학 방식, 반도체 실리콘 스핀 방식 등도 거론된다.

 업계에서는 특정 방식이 시장을 독점하기보다는, 용도에 따라 최적화된 하드웨어가 공존하는 춘추전국시대가 당분간 이어질 것으로 보고 있다.

압도적인 능력에도 불구하고 양자컴퓨터 상용화의 최대 걸림돌은 높은 오류율이다. 양자 상태는 주변의 미세한 진동이나 온도 변화에도 쉽게 깨진다. 이 과정에서 계산 오류가 빈번하게 발생한다. 이 때문에 양자컴퓨터는 현재 '계산 실수가 잦은 천재'에 비유되기도 한다.

현재 시장의 관심은 단순한 큐비트 개수 늘리기를 넘어 오류를 스스로 수정할 수 있는 '논리 큐비트(Logical Qubit)' 구현으로 이동하고 있다. 수백개의 물리 큐비트를 하나로 묶어 오류를 상쇄하는 기술이다.

이는 불안정한 물리 큐비트 여러개를 묶어 하나의 신뢰 가능한 논리 큐비트로 인코딩하는 방식으로 구현된다. 논리 큐비트를 통해 외부 잡음으로 인한 양자 정보 손실을 복원하고 오류 없는 양자 연산을 가능케 한다.

글로벌 빅테크들이 오류 정정 기술에서 의미 있는 진전을 보이면서, 양자컴퓨터가 실험실을 넘어 실제 산업 현장에 투입될 날도 머지않았다.

특히 인공지능(AI)과의 결합이 기대를 모은다. AI 연산량이 한계에 다다른 상황에서 양자컴퓨터는 필수적인 파트너다. 기상 예측, 신약 개발을 위한 단백질 분석, 차세대 배터리 물질 탐색 등 기존 슈퍼컴퓨터로 수십 년이 걸리던 작업들이 수 분 내에 완료될 전망이다. 양자컴퓨터가 산업 전반의 지형도를 완전히 바꿀 '게임 체인저'로 꼽히는 이유다.

한 학계 전문가는 "요새 기술 발전 속도를 보면 논리 큐비트를 수십개 규모로 만들어 양자컴퓨터의 오류 정정을 하는 것도 수년 내 가능할 수 있을 것으로 생각한다"며 "양자컴퓨터 하드웨어 기술은 가장 대표적인 초전도, 중성원자, 이온트랩 방식 등이 가장 빠르게 성과를 낼 가능성이 크다. 각 플랫폼이 다 장단점이 있는 만큼 확실한 우열을 매기긴 어렵겠지만 빅테크들이 뛰어든 영역인 만큼 상용화 속도에 기대가 더 클 것"이라고 진단했다.

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