꿈의 컴퓨터, 눈앞에 다가오다

지금까지 양자컴퓨터는 꿈의 기술로 여겨졌다. 그러나 꿈의 컴퓨터가 현실로 다가오고 있다. 지난 8월 세계 시장 조사 전문 기관 ‘가트너(Garnter)’는 기술 생명 주기를 표현하는 ‘하이프 사이클(Hype Cycle)을 공개했다. 참고로 하이프 사이크는 유망 기술, 인공지능(AI), 클라우드 등 분야별로 기술의 생명 주기를 표현한다. 하이프 사이클에 따르면, 기술 생명 주기는 다섯 단계로 이뤄져 있다. 기술 촉발(Technology Trigger), 과장된 기대의 정점(Peak of Inflated Expectations), 환멸의 저점(Through of Disillusionment), 기술 재조명(Slope of Enlightenment), 생산성 안정(Plateau of Productivity) 등이 이에 해당한다.

양자컴퓨터의 수명을 표시한 “2019년 가트너 하이프 사이클”

[출처: 가트너의 하이프 사이클을 국문으로 재수정]

가트너는 하이프 사이클을 통해 처음으로 양자컴퓨터의 기술 수명을 나타냈다. 가트너에 따르면, 양자컴퓨터의 기술 상용화는 10년 이상 걸릴 전망이지만, 관련 산업에서 주목을 받을 것으로 보인다. 이는 양자컴퓨터 관련 사업화가 시작됐음을 알리는데, 이론상으로만 가능한 기술이 아님을 보여준다.

실제로 산업 현황은 이러한 동향, 다시 말해 양자컴퓨터 상용화 준비를 위한 움직임을 보인다. 특히, 이러한 움직임은 2019년에 두드러졌는데, 지난 1월 IBM은 국제전자박람회(CES)에서 자체 개발한 양자컴퓨터 ‘IBM 큐 시스템 원(IBM Q System One)’을 공개했다. 큐 시스템 원의 성능은 20큐비트(Qubit)로, 구글이 공개한 72큐비트 등 다른 양자컴퓨터와 비교하면 높지 않다. 그런데도 주목받은 이유는 큐 시스템 원이 기존처럼 기술 우위 증명을 위한 것이 아니라 상용화 목적으로 공개됐기 때문이다. IBM은 큐 시스템 원을 가지고 여러 기업과 협력해 상용화 프로젝트를 추진할 예정이다. 국내 삼성전자도 협력사로 참여해 있다.

큐 시스템 원

[출처: Flickr]

지난 10월 구글은 IBM에 이어 또 한 번 양자컴퓨터를 주목받게 했는데, 특정 연산에서 양자 우위(Quantum Supremacy)를 증명했기 때문이다. 참고로 양자 우위는 기존 컴퓨터보다 성능을 뛰어넘는 기준치이며, 일반적으로 50큐비트(Qubit) 성능을 양자 우위 기준으로 삼고 있다.

구글은 유명 과학 논문지인 네이처(Nature)를 통해 이를 증명했는데, 논문 제목은 “프로그래밍 가능한 초전도 회로 활용의 양자 우위(Quantum Supremacy Using a Programmable Superconducting Processor)”이다. 구글 발표 논문에 따르면, 구글 양자컴퓨터는 IBM 최고 슈퍼컴퓨터로 1만 년 만에 끝낼 수 있는 연산을 200초 만에 끝냈다.

구글의 양자컴퓨터는 특정 영역에만 적용 가능하다는 것이나, 신뢰도 문제와 같은 연구의 한계도 있다. 실제로 IBM에 따르면, IBM 최고 슈퍼컴퓨터는 해당 연산을 1만 년이 아닌 2.5일 만에 끝낼 수 있다. 그러나 구글의 양자컴퓨터는 특정 분야에 응용해 양자 우위를 증명했다는 연구 의의가 분명히 있다.

IBM과 구글에서 보여준 사례처럼 양자컴퓨터 기술은 상용화 단계로 조금씩 나아가고 있다. IBM은 상용 가능 양자컴퓨터를 선보였으며, 구글은 특정 연산에 양자 우위를 증명했다. 이에 따라 세계는 꿈의 컴퓨터에 관심을 가지기 시작했다. 특히 큰 관심을 보이는 미국과 중국이 양자컴퓨터 산업의 중심이 될 가능성이 높으며, 이로 인해 두 국가 간의 경쟁은 불가피하게 보인다.

본고는 미국과 중국의 양자컴퓨터 추진 동향을 다룬다. 우선 양자컴퓨터 기술에 대해서 알아본 후, 두 국가가 사이버 안보 우위를 위해 양자컴퓨터에 집중할 수밖에 없는 이유를 살펴본다. 끝으로 두 국가의 양자컴퓨터 추진 동향을 살핀다.

양자컴퓨터가 무어의 법칙의 한계를 극복하게 할 전망

양자컴퓨터 역사는 100년 전으로 거슬러 올라갈 수 있다. 양자컴퓨터의 기본이 되는 양자가 100년 전에 발견됐기 때문이다. 1900년 막스 플랑크(Max Planck)가 양자 이론을 제시하며 처음으로 양자의 가능성을 주장했으나 이러한 이론은 채택되지 못했다. 그러나 이후에 앨버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 발표한 광양자 이론에서 양자의 존재 가능성을 논리적으로 증명하고, 1913년 닐스 보어(Niels Bohr)가 양자가 포함된 새로운 원자 모형을 발표하면서 양자 이론이 받아들여지게 됐다.

양자컴퓨터는 용어에서부터 알 수 있듯이 양자를 컴퓨팅 성능 구현에 활용한 것이다. 1959년 리처드 페인만(Richard Feynmann)이 이러한 개념을 최초로 설명했는데, 당시에는 컴퓨터를 구현하는 것도 어려웠기 때문에 양자컴퓨터가 구현되지는 못했다. 양자컴퓨터 개발 연구는 1980년 리처드 페인만의 주도로 시작됐다. 1994년에는 리처드 쇼어(Richard Shor)가 소인수분해 등의 문제를 쉽게 풀 수 있는 양자컴퓨터 전용 알고리즘을 개발했는데, 이는 현재 암호 통신에 사용되는 암호화 알고리즘 해독에 사용된다. 그 외에 롭 그로버(Lov Kumar Grover)는 양자컴퓨터의 성능을 효율화하는 알고리즘을 발표했다.

이처럼 기존에 등장한 컴퓨터 구현 방식과 별도로 양자컴퓨터 개발 연구는 진행되고 있었다. 기존 방식대로 컴퓨터를 개발하면 되는데 굳이 양자컴퓨터를 연구한 이유가 무엇일까? 그 답은 양자의 두 가지 특성에 있다. 첫째는 ‘중첩성(Superposition)’이다. 중첩성은 동시에 여러 특성을 가질 수 있는 특징이다. 0과 1로 이뤄진 이진수에서는 0과 1을 동시에 가질 수 있음을 뜻한다. 둘째는 ‘얽힘(Entanglement)’이다. 한 물질에서 두 개로 쪼개진 양자 사이에 거리와 무관한 상호 관계가 존재하여 서로의 값에 영향을 주는 특성을 말한다.

슈뢰딩거의 고양이

[출처: 위키미디아]

양자의 두 가지 특성은 양자컴퓨터에도 적용되어 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 성능 측면에서 매우 높은 우위를 가지게 한다. 중첩이 가능한 양자컴퓨터는 동시 처리량에 따라 큐비트라는 성능 지표가 활용된다. 1큐비트는 1비트 정보량(0과 1)을 동시에 처리할 수 있으며, 2큐비트는 2비트 정보량의 2의 제곱근(00, 01, 10, 11)을 동시에 병렬 처리할 수 있는 정보량이다. 반면 기존 컴퓨터는 2비트 정보량을 처리할 때 직렬로 4회씩, 여러 차례로 나누어 연산을 처리한다. 양자 컴퓨터의 큐비트가 올라갈수록 양자컴퓨터와 기존 컴퓨터 간에 성능 차이가 크게 날 수밖에 없는 이유다.

이러한 양자의 특성은 컴퓨터의 성능 한계치를 극복하게 할 전망이다. 무어의 법칙은 마이크로칩의 밀도가 18개월마다 2배로 늘어나 컴퓨터 성능이 빠르게 증가함을 의미한다. 컴퓨터 연산 성능은 전류 흐름에 따라 0과 1의 비트 정보를 만들어 처리하는 트랜지스터의 수에 비례하는데, 트랜지스터가 많을수록 비트 정보를 직렬로 더 빠르게 처리할 수 있다.

위와 같은 이유로, 기존 컴퓨터는 트랜지스터를 나노 수준으로 작게 만들어 컴퓨터 성능을 높여왔다. 그러나 점점 트랜지스터의 경량화 정도가 줄어들며, 삽입할 수 있는 마이크로칩의 밀도 크기 역시 작아졌다. 즉 무어의 법칙 한계에 도달, 컴퓨터 성능 발전의 한계가 생긴 것이다.

양자컴퓨터는 이러한 한계를 극복하게 한다. 중첩은 병렬처리 방식을 이용해 트랜지스터 수의 증가 없이도 컴퓨터 성능을 비약적으로 증가시키기 때문이다. 이에 따라, 양자컴퓨터는 인공지능(AI)에 크게 활용될 전망이다. 최근 AI는 기계학습을 기반으로 구동되는데, 복합 요인을 학습하고, 이를 기반으로 판단을 내리는 이러한 원리는 직렬처리보다 병렬처리에서 더 효과적이다. 복합 요인을 한 번에 고려하여 판단하는 것이 낫기 때문이다. 이러한 이유로 중앙처리장치(CPU)가 아닌 그래픽 처리 장치(GPU)가 AI 전용 연산 장비로 주목받고 있기도 하다. CPU가 직렬처리 방식인 것에 반해, 후자는 병렬처리 방식으로 AI 활용에 더 적합하기 때문이다.

양자컴퓨터는 정보를 한 번에 기록해서 병렬로 처리하기 때문에 GPU보다도 성능 측면에 월등 히 우위에 있어 AI 수준을 월등히 높일 수 있다. 경영 컨설팅 전문 기업 ‘보스턴컨설팅그룹(BCG)’이 경제 수치로 환산한 양자컴퓨터가 AI에 미칠 영향력에 따르면, 2030년에 500억 달러(약 60조 원)의 경제 가치를 유발한다고 한다.

그뿐만 아니라, 암호화 통신도 비약적으로 발전할 수 있다. 중첩은 비약적으로 우수한 암호화 알고리즘을 만들어내고, 얽힘은 빠른 속도로 암/복호화에 사용되는 키를 교환하기 때문이다. 다시 말해, 중간자공격(MITM)과 같은 네트워크 도청을 어렵게 한다.

양자컴퓨터와 사이버 안보

앞서 언급했듯이, 양자컴퓨터는 네트워크 보안에 활용되어 사이버 안보를 강화할 수도, 네트워크 해킹에 활용되어 통신 보안에 사용되는 암호화 기법을 쉽게 무력화할 수도 있다. 양자컴퓨터 등장을 큐데이(Q-Day)라고 부르기도 하는데, 그 등장 시점이 네트워크 보안이 무너지는 시점이기 때문이다.

양자컴퓨터는 사이버 안보와 직접적 연관을 가질 수밖에 없는데, 사이버 공격과 사이버 안보에 모두 영향을 미치기 때문이다. 미국의 씽크탱크 기관인 ‘허드슨 연구소(Hudson Institute)’는 양자컴퓨터 개발을 제2의 핵 개발 전쟁으로 보고 있다. 2차 세계대전 전후 당시, 미국과 러시아는 핵폭탄 개발에 주력했는데, 핵폭탄이 바로 전쟁의 승기를 잡을 수 있는 무기였기 때문이다. 이처럼 양자컴퓨터는 사이버 전쟁상에 우위를 점할 수 있는 기술로, 핵 개발 경쟁과 같이 기술 개발이 국가 안보 경쟁 관점에서 이뤄질 수밖에 없다. 물론, 경쟁 주체는 미국과 러시아에서 현재 미국과 중국으로 바뀌었다.

양자컴퓨터 개발 여부에 따른 미국과 중국의 사이버 안보 우위 비교

이러한 관계를 게임 이론 관점에서 살펴보자. 게임이론은 “주최자가 경쟁 상대의 반응을 고려 해 전략을 짜는 것”을 설명한다. 핵폭탄 개발을 예로 들어보자. 미국과 러시아는 사이버 안보를 위해 개발할 수밖에 없다. 경쟁국이 핵폭탄을 개발하면 자국에는 사이버 안보 위협으로 다가오기 때문이다.

양자컴퓨터도 마찬가지이다. 미국과 중국은 안보 관점에서 개발할 수밖에 없다. 경쟁국이 양자컴퓨터 두 기술 중 하나라도 개발한다면 자국에 불리하기 때문이다. 양자컴퓨터 개발은 사이버 위협을 불러오고, 양자 통신 개발은 사이버 안보의 열위라는 손해를 가져온다. 상단의 표는 양자컴퓨터 관련 기술에 따라 국가 안보 경쟁 관점에서의 우위 관계를 나타낸 것으로, 표의 ‘양자컴퓨터’는 기존 컴퓨터보다 성능이 월등히 뛰어나 암호화 알고리즘을 한 번에 깰 수 있는 컴퓨터를 말한다.

선점하고 있는 미국, 이를 쫓는 중국

양자컴퓨터 산업은 미국이 압도적인 우위로 앞서가고, 중국이 이를 추격하고 있다. 미국은 양자컴퓨터 개발을 최초로 진행한 국가로, 그만큼 수많은 기업(IBM, AT&T, 인텔, 마이크로소프트(MS), 구글, 리게티(Rigetti), Q-Wave Systems 등)이 양자컴퓨터 개발을 추진하고 있다. 그리고 알리바바, 화웨이, 텐센트 등 중국 기업이 양자 컴퓨팅 개발에 주력하며 이를 추격하고 있다.

그러나 양국 기업의 기술 수준 편차는 꽤 큰 편이다. 2018년 3월 구글은 72큐비트 성능을 가진 양자 컴퓨터를 발표했다. 그 외 IBM은 52큐비트, 인텔은 49큐비트, 리게티는 19큐비트 등 우수 성능을 가진 양자컴퓨터를 선보였다. 반면 중국은 2018년 2월에 11큐비트를 가진 양자컴퓨터를 선보였다.

특허 출원에서도 미국이 중국보다 양자컴퓨터 기술 우위에 있음을 알 수 있다. 1999년부터 2017년까지 누적 특허량을 살펴보면, 미국이 1,344건으로 양자컴퓨터 특허 출원 수가 가장 많다. 중국이 737건으로 두 번째로 가장 많은 특허를 보유하고 있지만, 미국의 절반 수준밖에 되지 않는다. 참고로 일본(421건), 유럽연합(363건), 한국(141건) 등으로 순을 잇는다.

정리하면, 양자컴퓨터는 미국과 중국을 중심으로 발전하고 있다. 미국이 압도적인 우위에 있는 상황에 있으며 중국이 추격하고 있지만 두 국가의 기술 격차는 매우 크다.

미국과 중국의 양자컴퓨터 정책 추진 동향

미국은 양자컴퓨터 강대국인 만큼 여러 연구 기관에서 양자컴퓨터를 연구하고 있다. 정부 기관, 민간 기관, 대학 기관이 서로 협력해 거버넌스를 이루고 있다. 참고로 이를 연구하는 정부 기관으로는 국방부(DoD), 국립과학재단(NSF), 표준기술연구소(NIST), 항공우주국(NASA), 에너지부(DoE) 등이 있다.

이처럼 미국이 여러 기관에서 양자컴퓨터를 활발하게 연구할 수 있었던 이유는 정부의 지원이 가장 크다. 미국은 2009년 양자 정보를 위한 국가 청사진(A Federation Vision for Quantum Information)을 발표해 정부를 중심으로 양자컴퓨터를 개발하고 있다. 특히, 미국은 추격하고 있는 중국을 따돌리기 위해 “양자 정보 과학을 위한 국가 전략(National Strategic Overview for Quantum Information Science)”을 발표했는데, 해당 전략에는 인력 양성, 산학협력 등 양자컴퓨터 개발 전략에 관한 내용이 담겨 있으며 국가 주도형 과제도 추진하고 있다. NIST는 연간 8천만 달러(약 1천억 원)를 지원받아 양자컴퓨터 발전을 위한 전략을 연구하고 있다. 미국 에너지부(DoE)는 2017년부터 2022년까지 양자컴퓨터 테스트 베드를 지원하고 있다.

중국은 양자컴퓨터 기술 우위를 위해 미국을 맹렬히 추격하고 있다. 2006년 중국은 4대 중대 기초 과학 연구로 양자 제어를 선정했으며, 2016년에는 13차 5개년 계획에 양자컴퓨터를 포함했다. 또한 2018년부터 향후 5년간 1천억 위안(약 17조 원)을 투입해 양자정보과학국가연구소를 설립할 예정이다.

중국은 양자컴퓨터 기술 수준이 미국과 비교해 뒤지고 있으나 미국 다음으로 높은 양자컴퓨터 기술 수준을 보인다. 그뿐만 아니라, 중국 정부는 막대한 규모의 자금을 투입해 양자컴퓨터 기술 수준을 끌어올리려 하고 있다. 양자컴퓨터 산업이 아직 초기 단계인 만큼, 중국이 기술력 부분에서 앞서는 역전은 충분히 발생할 수 있다.

본고를 마무리하면, 미국과 중국은 양자컴퓨터 산업에서 1위와 2위로 두 국가 간의 기술 경쟁이 불가피하며, 한국은 양자컴퓨터 산업에서 국가 경쟁력을 갖기 위한 추진 전략이 시급하다.