구글 양자 컴퓨터, 이미 슈퍼컴 성능 능가

■ 구글 양자 컴퓨터, 이미 슈퍼컴 성능 능가

 

● 2019년은 차세대 컴퓨터로 주목 받는 양자 컴퓨터 원년

 

구글은 2018년 72개 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터 칩 브리스틀콘의 모습을 공개했다. 구글은 2019년 53개 큐비트로 이뤄진 양자 컴퓨터 시커모어를 개발한 후, 기존 방식의 최고 컴퓨터보다 월등한 성능을 구현했다는 문서를 최근 공개했다. 2019년은 차세대 컴퓨터로 주목 받고 있는 양자 컴퓨터 원년으로 기록될까?

 

구글의 연구원이 현존 최강의 슈퍼 컴퓨터로 1만 년 계산해야 풀 수 있는 복잡한 수학을 단 3분 20초 만에 풀 수 있는 양자 컴퓨터를 개발했다는 내용의 문서가 언론을 통해 유출했다. 학계와 산업계는 발칵 뒤집혔다. 양자 컴퓨터가 기존 슈퍼 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 연산 성능을 보이는 것을 ‘양자 우월성’이라고 한다. 양자 컴퓨터가 본격적인 궤도에 오른 기준으로 보는데, 구글이 사상 처음으로 이 단계에 도달했다고 밝힌 것이다. 구글은 이런 내용이 담긴 문서를 2019년 09월 미국 항공우주국(NASA) 홈페이지에 게재했다가 언론을 통해 내용이 공개되고 논란이 커지자 삭제한 상태이다.

 

파이낸셜타임스에 따르면, 시커모어는 난수 발생기를 통해 난수를 만든 뒤, 이것이 정말 난수인지 증명하는 단순하고 제한적인 작업을 하는 컴퓨터이다. 구글이 자체 실시한 성능 시험에서 시커모어는 3분 20초 만에 이 난수 증명 계산을 해냈다. 구글은 이 계산이 현존하는 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터인 미국 오크리지 국립연구소의 ‘서미트’로도 1만 년이 걸리는 내용이라고 평가했다. 서미트는 2019년 06월 독일 프랑크푸르트에서 개최된 슈퍼컴퓨팅 콘퍼런스가 발표한 세계 슈퍼 컴퓨터 성능 순위에서 148 페타플롭스(PF)의 연산 속도를 발휘했다. 1PF는 1초에 1000조 개의 계산을 할 수 있는 속도이다.

 

● 최강 슈퍼컴으로 1만 년 걸리는 연산 3분 20초 만에 계산

 

만약 구글의 주장이 사실이라면, 비록 특정 과제에 특화된 전문 컴퓨터일지라도 양자 컴퓨터 개발 역사에서는 커다란 이정표가 될 전망이다. 양자 컴퓨터 개발 경쟁은 크게 두 방향에서 진행돼 왔는데, 그 한 축을 담당하는 ‘이정표’가 바로 양자 우월성 도달이기 때문이다.

 

양자 컴퓨터는 관측 전까지 양자가 지닌 정보를 특정할 수 없다는 '중첩성'이라는 양자 역학적 특성을 이용한 컴퓨터이다. 물질 이온, 전자 등의 입자를 이용해 양자를 만든 뒤, 여러 개의 양자를 서로 관련성을 지니도록 묶는다. 이런 상태를 '얽힘'이라고 한다. 이렇게 만든 양자를 제어해서 정보 단위로 이용한다. 이 정보 단위가 큐비트이다. 디지털의 정보 단위 비트는 0 또는 1의 분명한 하나의 값을 갖지만, 양자 정보는 관측 전까지 0이기도 하고 1이기도 하기에 이들이 여럿 모이면, 동시에 막대한 정보를 한꺼번에 병렬로 처리할 수 있다. 2개의 큐비트를 예로 들면, 기존의 비트는 00, 01, 10, 11의 네 정보값 가운데 하나만 처리할 수 있지만, 큐비트는 네 개를 모두 동시에 처리할 수 있다.

 

현재, 많은 공학자와 물리학자는 큐비트 실현을 위해 노력하는 단계이다. 대부분 기초 중의 기초인 양자의 정보 전달, 처리 단위인 큐비트를 만들고 오래 유지하며, 원하는 대로 통제하는 데 공을 들이고 있다. 물질 원자를 전기적 성질을 지닌 이온으로 만든 뒤, 이들을 하나씩 분리해 존재할 수 있도록 자기장으로 가두는 ‘이온 트랩(덫)’ 방식을 연구하는 연구자도 있고, 극저온에서 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 보이는 물질 사이에 금속을 끼운 전자 소자(조셉슨 소자) 내부에서 전자 두 개가 하나의 양자처럼 쌍을 이뤄 금속을 통과하는 현상을 이용해 계산을 하는 초전도 소자 방식을 쓰는 연구자도 있다. 다이아몬드 안의 결함을 이용해 양자 정보를 제어하는 다이아몬드 방식, 반도체 양자점을 이용해 양자를 구조적으로 가두는 방식을 쓰는 방식 등도 널리 연구되고 있다.

 

● 아직도 여전히 풀어야 할 난제들이 많이 남아 있다.

 

서울대학교는 반도체 양자점, 한국표준과학연구원은 초전도 소자, 한국과학기술연구원(KIST)은 다이아몬드 방식과 빛을 동시에 이용하고 있다. 구글과 IBM은 초전도 방식을 이용하고 있다. 대학과 연구 기관에서 개발하고 있는 양자 컴퓨터 큐비트는 10여 개 수준을 넘지 못하고 있다. IBM은 53개, 구글 72개의 큐비트를 운영할 수 있다고 주장해 왔다. 구글과 IBM은 이런 큐비트 운영 능력을 바탕으로 계산 성능을 높여 양자 우월성에 먼저 도달하고자 경쟁해 왔다.

 

만약, 구글이 정말 양자 우월성에 도달했다 하더라도 한계는 남는다. 우선, 범용 컴퓨터는 아니다. 특수 목적의 양자 컴퓨터로는 아주 제한된 성능밖에 발휘할 수 없다. 두 번째는 양자 컴퓨터에는 양자 우월성 외에 도달해야 할 과제가 많다는 사실이다. 오류가 많은 현재 상황을 개선해서 신뢰할 수 있는 연산 결과를 얻을 수 있어야 한다. 현재는 주변 환경에 따라서 큐비트의 상황이 크게 영향 받는다. 오류 정정 기능도 약하다. 양자 컴퓨터의 오류 수정 기능은 많은 기초 과학자들이 연구 중이다.