“슈퍼컴퓨터도 우주의 나이보다 훨씬 긴 ‘10자(10의 25제곱) 년’에 걸쳐 해야 할 계산을 양자 컴퓨터가 단 5분 만에 해결했다.”
구글은 2024년 12월 최첨단 양자 칩 윌로우(Willow)를 발표하며 이같이 소개했다. 105큐비트(Qubit·양자 컴퓨터의 연산 단위)의 윌로우는 ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자 컴퓨터의 상용화 시점을 앞당길 것이라는 기대를 받는다.
전통적인 컴퓨터는 정보를 0과 1의 비트 단위로 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 양자역학 특성으로 0과 1이 중첩된 큐비트를 단위로 이용한다. 양자 컴퓨터는 큐비트의 수가 많을수록 성능이 기하급수적으로 좋아지는데, 큐비트가 증가하면 오류 발생 확률도 덩달아 커진다는 점이 그간 해결하지 못한 과제였다. 하지만 윌로우는 큐비트 개수를 늘릴수록 오류가 줄어드는 구조여서, 구글은 이를 ‘역사적인 성과’라고 평가한다.
구글에서 양자 컴퓨터 개발을 이끄는 하트무트 네벤(Hartmut Neven) 구글 퀀텀 AI (Google Quantum AI) 설립자를 최근 인터뷰했다. 그는 2012년 구글 내 양자 컴퓨팅 기술 개발 조직인 구글 퀀텀 AI를 설립해 현재까지 총괄을 맡고 있다. 양자 컴퓨터 분야 최고 전문가다. ‘양자 컴퓨터의 성능은 이중 지수적으로 매우 빠르게 성장한다’는 그의 말은 ‘무어의 법칙(2년마다 반도체 집적도가 두 배 향상되는 것)’을 대체하는 ‘네벤의 법칙’으로 인용된다. 다음은 일문일답.
윌로우의 특징은.
“두 가지 측면에서 주요한 발전을 이뤘다. 첫째, 윌로우는 큐비트 수를 늘려 규모를 확장할 때 오류를 기하급수적으로 줄였다. 이는 양자 오류 수정(QEC·Quantum Error Correction)이라는 난제를 해결하는 데 중요한 진전을 보였다. 둘째, 윌로우는 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터를 사용해도 10자 년이 걸리는 계산을 5분 이내에 완료했다. 여러평행 우주에서 동시에 계산이 이루어지는 듯한 성능이다. 윌로우의 낮은 오류율과 빠른 연산은 양자 컴퓨터 개발에서 주요한 단계를 통과했다는 걸 의미한다.”
올해 양자 컴퓨팅 기술이 어떻게 발전할까.
“전 세계적으로 양자 컴퓨팅 기술은 아직 개발 초기 단계에 있다. 컴퓨팅 기술의 초창기를 가리키는 ‘진공관 시대(vacuum tube era)’에 비유할 수 있다. 지금까지 이론적인 부분이나 실험적인 면에서 많은 진전이 있었지만, 실용적인 응용 사례를 보여준 양자 컴퓨터는 아직 없었다. 2025년에는 양자 컴퓨터에서만 수행할 수 있으며 실제 응용에 적용할 수 있는 세계 최초의 연산을 선보이기를 희망한다. 완전히 오류가 수정된 대규모 양자 컴퓨터가 나오기 전에도 오늘날의 소규모 양자 프로세서를 사용해 이러한 연산 중 일부를 달성할 수 있을 것으로 예상한다. 아울러 양자 프로세서의 품질을 높이고 규모를 확장하기 위한 노력도 지속할 것이다. 오류를 기하급수적으로 줄이면서도 프로세서 규모를 확장할 수 있음을 입증한 만큼, 2025년에도 이러한 개선을 이어갈 것이다.
구글의 목표는 10년 이내에 유용한 양자 컴퓨터를 구축하는 것이다. 오류를 수정하며 복잡한 계산을 수행하는 대규모 양자 컴퓨터를 구축하겠다는 목표다. 이는 컴퓨팅의 잠재력을 완전히 실현하는 길이다. 양자 컴퓨팅 기술은 아직 시작 단계지만, 구글은 양자 컴퓨터가 미래에 큰 도움이 될 것이라고확신한다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 해결할 가능성이 있다. 인공지능(AI) 가속화, 신약 개발을 위한 분자 시뮬레이션, 무한한 핵융합 에너지 개발 등 다양한 분야에서 잠재력이 있다. 더 나아가, 우주의 비밀을 밝히는 데 도움이 될 데이터 처리 능력 역시 갖추고 있다.”
양자 컴퓨터가 AI 발전을 어떻게 가속하나.
“구글은 양자 컴퓨터가 고급 AI 모델의 훈련을 가속화할 가능성을 최초로 모색한 기업 중 하나다. 구글의 양자 컴퓨터 비전은 양자역학을 활용해 AI를 양자 영역으로 끌어들이는 것이다. 내 개인적인 양자 컴퓨터 여정도 AI를 가속화하고, AI가 양자역학의 법칙에서 어떻게 작동할 수 있는지를 탐구하고자 하는 열망에서 시작됐다. 또한 양자 컴퓨팅 기술과 AI는 상호작용을 한다. 반대로 AI도 양자 컴퓨터의 발전을 가속한다는 얘기다. 양자 칩 설계를 돕거나, 양자 오류를 개선하는데 AI가 중요한 역할을 하고 있다.”
양자 컴퓨터로 어떤 산업이 가장 발전할까.
“양자 컴퓨터는 신약 개발 및 재료과학 분야에서 혁명을 일으킬 잠재력이 있다. 또 효율적인 전기차 배터리 설계, 핵융합 및 대안 에너지 발전 가속화 등 다양한 산업 분야에서 양자 컴퓨터가 유망하게 응용될 수 있다. 이 중 어떤 분야가 가장 광범위한 영향을 받을지 정확히 예측하기는 이르지만, 구글은 이러한 응용 가능성에 큰 기대를 걸고 있다. 사회에 실질적인 영향을 미치는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 힘을 쏟고 있다.”
양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터를 대체할까.
“양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 완전히 대체하지는 않을 것이다. 기존 컴퓨터의 단점을 보완할 것으로 예상한다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 잘하지 못하는 특정 작업을 수행할 수 있지만, 문서 작업이나 비디오 게임, 웹 브라우저 같은 일반적인 작업은 양자 컴퓨터를 사용해도 작업 속도가 크게 빨라지지 않는다. 이런 작업은 앞으로도 저렴하고 효율적인 기존 컴퓨터에서 이뤄질 것이다.”
가장 큰 기술적 도전 과제는.
“큐비트의 안정성을 확보하고 오류를 수정하는 것이다. 빛의 미세한 입자조차도 오류를 유발할 수 있으므로, 의미 있는 계산을 위해서는 이러한 오류를 반드시 수정해야 한다. 구글은 큐비트 품질 향상, 개별 물리적 큐비트의 결함을 보완할 수 있는 아키텍처의 지속적인 개선, 오류 수정 소프트웨어 개선에 이르기까지 다양한 방법을 통해 이러한 도전 과제를 해결하기 위해 노력하고 있다. 양자 컴퓨터의 발전을 위해서는 컴퓨팅 기술 전체에 걸친 개선이 필요하다.”
구글이 양자 컴퓨터에 주목하는 이유는.
“양자역학적으로 작동하는 시스템을 설계하는 것은 매우 섬세한 작업이고, 양자 컴퓨터를 구축하는 것은 인류에게 엄청난 기술적 도전이다. 구글은 이를 인류가 새로운 유형의 컴퓨팅을 개척하기 위한 집단적이면서도 과학적인 노력으로 보고 있다. 그 혜택은 인류 전체에 매우 광범위하게 미칠 것이다. 구글은 2019년 기존 컴퓨터가 수행하는 계산 방식을 뛰어넘는 양자 컴퓨터를 개발하고, 2023년 오류 수정 기술을 입증하는 등 두 가지 중차대한 이정표를 달성한 최초의 팀이 된 것을 매우 자랑스럽게 생각한다.”