[2030년 게임체인저 양자컴퓨터 : ① 현황]
중첩현상 이용해 슈퍼컴 속도 능가
한국 기술은 미·EU의 60~80% 수준
추격전략 어려워 정부 지원 있어야
닥터 스트레인지.
"1,400만605개의 미래들을 봤어. 우리가 이길 수 있는 경우의 수는 하나뿐이야."
(닥터 스트레인지의 대사)
영화 '어벤져스: 인피니티 워'에서 토니 스타크, 스파이더맨, 스타로드는 타노스와 벌일 마지막 결투를 기다리며 작전회의를 한다. 그러나 도무지 이길 묘수가 나오지 않는다. 결국 답을 찾아낸 이는 일행과 떨어져 있던 마법사 닥터 스트레인지. 그는 그 짧은 시간 동안 1,400만 개 경우의 수를 모두 체크한 다음, 어벤져스가 이길 수 있는 단 하나의 미래를 기어이 찾아낸다.
양자컴퓨터란
입자의 상태가 중첩되고 얽히는 양자물리 현상을 제어해 계산을 수행하는 컴퓨터를 말한다. 순차적으로 계산을 하는 클래식컴퓨터와 달리, 중첩 상태를 활용한 병렬계산이 가능해 속도가 지수함수에 따라 증가한다.
양자컴퓨터는 '닥터 스트레인지'
영화 속 이야기지만 '어벤져스'의 이 장면은 양자컴퓨터가 우리에게 가져다 줄 미래를 꽤나 쉽게 설명해 준다. 미래나 결과를 가장 정확하게 예측하는 방법은 모든 변수를 대입해 변수의 변화가 가져올 모든 경우의 수를 점검하는 '전수 조사'다. 그러나 인간의 능력으로 그 많은 걸 다 계산하는 것은 불가능하다. 아무리 간단해보이는 예측도 현실 속 제약과 몇 가지 조건이 더해지면 경우의 수가 쉽게 수백만, 수천만 개를 넘어버린다. 그래서 인간은 가장 중요한 변수만 놓고 미래를 예측하거나 직관에 의존해 전망할 수밖에 없다.
그런데 만약 억·조·경 단위를 넘어서는 경우의 수를 비교적 빠른 시간 안에 다 들여다볼 수 있다면? 인간은 최선의 결과값을 지향할 수 있고, 모든 경우의 수를 고려하기 때문에 아예 '예측'이라는 표현마저 어색해지게 된다.
어쩌면 영화 속 닥터 스트레인지만 할 수 있었던 경우의 수 전수조사를 가능케 해 주는 것이 바로 양자컴퓨터다. 오류가 없다고 가정할 때, 초보 단계의 양자컴퓨터 속도만으로도 사실은 닥터 스트레인지보다 빠르게 계산할 수도 있다.
앞서 나가는 미·중… 한국 인력은 7% 수준
이런 이유에서 주요 선진국들은 이미 오래전부터 양자기술에 눈독을 들여왔다. 특히 미국은 국가 차원의 연구 지원을 위해 양자법(국가양자연구집중지원법)을 2018년 12월 통과시켰다. 2020년부터 5년에 걸쳐 인공지능(AI) 및 양자컴퓨팅 연구센터 설립과 지원에 10억 달러(약 1조3,000억 원)를 쏟아붓고 있다.
이에 비해 한국은 반도체에선 최강국이지만 양자 분야에선 선두권과 격차가 크다. 한국의 양자기술은 대략 미국·유럽연합(EU)의 60~80% 수준에 그치고, 전문 인력과 시장 규모 면에서도 열세다. 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 2016년부터 5년간 발행한 관련 논문을 분석한 결과, 피인용된 한국의 양자컴퓨터 전문 인력은 총 264명에 그쳐 △미국 3,526명 △EU 3,720명 △중국 3,282명 등 경쟁국의 10분의 1에도 미치지 못한다. 국내 양자컴퓨터 시장 규모는 지난해 기준 34억9,000만 원으로 세계 시장(4억7,160만 달러)의 0.56%에 불과하다.
미국 기업들은 머지않은 미래에 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터 능력을 압도할 것이라고 확신하며 벌써부터 활용 방안을 찾아가는 중이다. 정유회사 엑슨모빌은 양자컴퓨터 분야 선두두자 IBM과 손잡고 물류 최적화 알고리즘을 개발 중이다. 엑슨모빌에 따르면, 기후나 가격 등을 고려해 전 세계 각지에서 운용 중인 약 500척의 액화천연가스(LNG)선의 최적 이동 경로를 도출하는 경우의 수는 2의 100만제곱 개에 달한다. 여기서 양자컴퓨터를 이용하면 이 모든 경우의 수 가운데, 500척의 배가 이동하는 가장 최적의 경로를 도출할 수 있다.
이미 시작된 양자컴퓨터 경쟁
신소재를 찾아내는 시뮬레이션에도 양자컴퓨터가 활용된다. 기존 신약 개발은 일일이 시험을 거쳐야 해서 새로운 물질을 찾아내는 데 10년 이상 소요됐지만 양자컴퓨터를 활용하면 기간을 획기적으로 줄일 수 있다. 효율적 배터리 구조를 설계하거나 금융 포트폴리오를 구성하는 데도 활용도가 높다. 또 기존 인공지능(AI)의 머신 러닝(컴퓨터에 데이터를 주어 학습하게 하는 것)을 양자컴퓨터를 기반으로 운용할 수 있다면, 기본 컴퓨터(클래식컴퓨터)를 쓸 때보다 기능성과 정확성이 훨씬 좋아질 수 있다.
특히 양자기술은 안보나 보안 문제와도 맞닿은 전략기술이다. 현재 대부분의 암호체계는 '매우 큰 수의 소인수분해(소수의 곱으로 쪼개는 것)가 어렵다'는 사실에 기반하고 있다. 이 원리를 활용한 공개키 암호 RSA는 해독에 약 100만 년(클래식컴퓨터 기준)이 걸리기 때문에 무척 안전한 암호로 여겨진다.
하지만 양자컴퓨터가 등장하면 게임의 법칙이 바뀐다. 이론상 양자컴퓨터는 RSA 기반 암호를 단 1초면 해독할 수 있다. 클래식컴퓨터보다 30조 배 빠르다. 일상에서 사용하는 결제정보부터 적국 군사시스템에 이르기까지, 모든 것을 해킹하는 시대가 올 수 있다.
SK텔레콤이 스위스 제네바에서 열린 ITUT 회의에서 양자암호통신망의 관리와 연동에 대한 기술 2건을 제안해 국제표준화 과제로 채택됐다고 18일 밝혔다. 사진은 회의에 참석한 심동희 SK텔레콤 팀장이 표준화 과제를 제안하는 모습. SK텔레콤 제공
반도체에 통했던 추격전략 어려워
양자기술이 기초과학 분야와 맞닿아 있어, 이 분야에선 대학이나 국가기관 연구원들이 산업 현장에서 결정적인 역할을 한다. 김정상 듀크대 교수와 함께 양자컴퓨터 기업 아이온큐를 공동 창업한 크리스토퍼 먼로 교수는 미 국립표준기술연구소(NIST)에서 양자를 연구했다. '슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 문제를 양자컴퓨터가 단 200초 만에 풀었다'는 논문을 발표해 화제를 낳았던 구글 양자 하드웨어팀 전 최고 책임자 존 마르티니스 교수도 오랜 시간 대학에서 양자물리를 연구했다. 양자물리 권위자인 김재완 고등과학원 부원장은 "현재 한국은 표준연구원, 한국전자통신연구원, 한국과학기술연구원 등 3개 연구소가 경쟁하며 협조하는 관계"라며 "국가 연구기관의 젊은 학자들에게 충분한 연구 기회를 줄 수 있어야 한다"고 강조했다.
IBM이 2020년 1월 미국 네바다주 라스베이거스 컨벤션 센터에서 공개한 퀀텀컴퓨터 모습. IBM 제공
양자기술은 나라 간에 공유하지 않는 전략기술이라 기존의 패스트 팔로어 전략(선구자의 전략이나 기술을 빠르게 쫓아가는 것)이 통하지 않을 수 있다. 양자센서 분야를 연구하는 이동헌 고려대 교수는 "미래의 게임 체인저가 될 수 있지만, 어느 정도 성과가 이뤄진 뒤 따라잡기에는 그 간극이 다른 산업과 비교해 클 것"이라고 지적했다.
연구 단계부터 국가 차원의 지원을 넓히는 전략도 필요하다. 양자기술은 아직 초기단계이고, 실패 리스크가 크다. 아직 돈이 되는 단계는 아니기 때문에 한국의 주요 기업들도 적극적인 참여에는 미온적인 태도를 보이고 있다.
김재완 부원장은 "우리가 디지털 쪽을 너무 잘해서 그 기술에 안주하며 양자기술 분야에는 소극적이었던 측면이 있었다"며 "하지만 지금은 리스크를 감수하더라도 과감하게 투자해야 할 시기이고 국가적 지원이 필요하다"고 강조했다. 김부현 국가과학기술인력개발원(KIRD) 인재교육본부장은 "고도화된 반도체 산업과 초기 단계인 양자기술은 인력 양성의 접근방식이 달라야 한다"며 "반도체 인력 양성의 중심이 기업이라면, 양자기술 분야는 정부가 좀 더 주도권을 쥐어야 한다"고 조언했다.
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