[스페셜] 양자 컴퓨팅에 투자하기
동전을 던진다고 해보자. 앞면이 나올 수도 있고, 뒷면이 나올 수도 있다. 물론 동전이 땅에 닿아야 결과를 알 수 있다. 하지만 동전이 아직 공중에서 빙글빙글 돌고 있다면 앞면도 뒷면도 아니다. 즉, 앞면일 확률과 뒷면일 확률이 동시에 존재하는 것이다. 다시 말해, 바로 이렇게 모호한 상태가 양자 컴퓨팅의 기본 개념이라고 할 수 있다.
수십 년간 디지털 컴퓨터 덕분에 정보 처리 작업이 수월해졌다. 그러나 이와는 근본적으로 다른 접근 방식인 양자 컴퓨터는 컴퓨팅을 완전히 새로운 차원으로 끌어올릴 것으로 예상된다. 양자 컴퓨터는 금융, 교통, 제약, 친환경 기술 등 다양한 산업과 응용 분야에서 복잡한 통계적 문제를 해결해 오늘날의 컴퓨터가 가진 한계를 크게 뛰어넘을 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
양자 컴퓨팅은 양자 기술의 세 가지 주요 영역 중 하나에 불과하지만, 단독으로도 2035년까지 약 1.3조 달러에 달하는 가치를 창출하고 전례 없는 비즈니스 혁신을 가능하게 할 것으로 기대된다. 투자자들의 관심도 높아지고 있다.
맥킨지의 2024년 양자 산업 리더 설문조사에 따르면, 다수의 양자 기업들이 빠르게 규모를 확장하고 있다. 직원 수가 100명이 넘는다고 답한 응답자는 전체의 39%로 이는 2023년의 9% 대비 크게 증가한 수치다. 또한 정부 투자기관에서도 양자 기술 분야에 약 340억 달러 규모의 투자를 약속한 것으로 나타났다.
Q1. 양자 컴퓨터는 어떻게 작동하나
스마트폰을 구동하는 고전 컴퓨팅(classic computing)은 비트(bit)로 구성된다. 여기서 비트란 컴퓨터가 저장할 수 있는 가장 작은 정보의 단위로 0이나 1의 값으로 저장된다. 반면 양자 컴퓨팅은 0과 1 둘 다로 저장할 수 있는 퀀텀 비트 즉, 큐비트(qubit)로 이루어진다.
큐비트는 0과 1을 동시에 가지는 모든 조합을 나타낼 수 있다. 이를 중첩(superposition)이라고 하며, 모든 양자 상태의 기본 특성이다. 큐비트의 아원자 입자(subatomic particle)가 중첩 상태에 있으면, 서로 상호작용해 영향을 주고받을 수 있다. 이러한 현상을 양자 간섭(quantum interference)이라고 한다. 고전 컴퓨터의 마이크로칩과 마찬가지로, 양자 칩은 큐비트를 저장하는 물리적 하드웨어 역할을 한다.
컴퓨터가 문제 해결을 위해 여러 변수를 사용하는데 이때 변수 중 하나라도 바뀌면 계산을 다시 해야 한다. 각 계산은 단일한 경로를 따라 단 하나의 결과를 도출한다. 반면 양자 컴퓨터는 중첩을 통해 여러 경로를 동시에 탐색할 수 있다.
큐비트는 얽힘(entanglement)이라는 현상을 통해 서로 연결되고 상호작용할 수 있다. 큐비트는 얽힘을 통해 기하급수적으로 확장할 수 있는데, 가령 두 개의 큐비트는 4비트의 정보를, 세 개의 큐비트는 8비트의 정보를 저장하고 처리할 수 있다. 이러한 지수적 확장으로 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 훨씬 더 강력한 연산 능력을 발휘한다.
현재 여러 연구기관과 기업들은 확장 가능한 범용 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 다섯 가지의 큐비트 기술을 주로 활용하고 있다. 광자 네트워크(photonic networks), 초전도 회로(superconducting circuits), 스핀 큐비트(spin qubits), 중성 원자(neutral atoms), 포획 이온(trapped ions) 등이다.
Q2 양자 컴퓨팅의 최신 동향은
여러 글로벌 정보기술(IT) 기업들이 양자 기술에 투자하고 있다. 2024년 구글은 대부분의 슈퍼컴퓨터로는 10.7조년, 즉 우주의 나이보다 더 오랜 기간이 걸렸을 계산을 단 5분 만에 할 수 있는 실험용 양자 컴퓨터를 공개했다. 윌로(Willow)라는 이름의 구글 양자 칩은 주로 연구 및 특수 목적 분야에 활용되도록 설계됐다.
다른 기업과 연구기관들도 양자 컴퓨터 개발에 속도를 내고 있다. 2022년 중국 정부는 양자 컴퓨팅에 약 153억 달러 규모의 공공 투자를 약속했다.
2025년 2월 마이크로소프트는 양자 컴퓨팅의 획기적 발전을 가능하게 할 새로운 물질 상태를 발견했다고 발표했다. 마이크로소프트는 17년의 물리학 연구 끝에 공개된 ‘마요라나 1(Majorana 1)’ 양자 칩은 액체도, 고체도, 기체도 아닌 입자를 생성하는 ‘위상 큐비트(topological qubits)’라는 물성을 활용한다.
다만 새로운 물질 상태의 존재 여부와 양자 기계의 실용성 여부는 아직 과학적으로 완전히 입증되지 않았다. 마이크로소프트에 의하면 이번 양자 칩은 신약 개발, 배터리 기술 혁신과 더불어 AI 분야에서 경쟁 우위를 강화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 많은 과학자들은 마이크로소프트의 위상 큐비트가 오류 수정의 효율성을 높이고 복잡성은 줄일 수 있을 것으로 전망한다. 또한 양자 시스템이 고유한 양자 특성을 잃고 고전 컴퓨팅 시스템처럼 행동하기 시작하는 ‘양자 결어긋남(decoherence)’ 현상을 막는 데에도 기여할 수 있을 것으로 보인다.
컴퓨터는 기존 업무용 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 문제 해결 능력을 갖추고 있지만, 아직 현실 세계에서의 적용 범위는 제한적이다. 그러나 양자 컴퓨터가 우리의 삶에 실질적인 영향을 미치게 될 시점이 빠르게 다가오고 있다.
Q3. 양자 컴퓨터는 어떤 목적에서 사용되나
오늘날의 고전 컴퓨터는 비교적 단순한 방식으로 작동한다. 제한된 입력값을 토대로 알고리즘을 사용해 하나의 답을 도출한다. 이때 입력값을 코드로 변환하는 비트들은 서로 정보를 공유하지 않는다. 양자 컴퓨터의 작동 방식은 다르다. 데이터가 큐비트로 입력되면 큐비트는 다른 큐비트와 상호작용해 여러 계산을 동시에 수행할 수 있다.
이 덕분에 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 속도로 연산할 수 있는 것이다. 또 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터처럼 하나의 명확한 답을 제시하는 것이 아니라, 여러 가능한 답의 범위를 제시한다.
범위가 제한적인 계산의 경우, 고전 컴퓨터가 여전히 선호된다. 그러나 구조가 복잡하고 변수가 많은 문제에서는 양자 컴퓨터가 가능한 답의 범위를 좁혀 시간을 절약할 수 있다.
Q4. 양자 컴퓨터의 도입 시기는
몇 년간 주요 양자 컴퓨터 기업 및 스타트업들은 컴퓨터가 처리할 수 있는 큐비트의 수를 늘리고 양자 컴퓨팅 기술의 성능을 개선하기 위해 계속 연구를 이어갈 것이다. 그러나 양자 컴퓨팅의 진보는 단기간에 이루기 어렵다. 현실 세계의 복잡한 문제를 빠르게 해결하기 위해 필요한 양자 볼륨(quantum volume)을 달성하는 과정은 장기전이 될 것으로 예상된다.
맥킨지가 양자 컴퓨팅 분야의 기술 경영진, 투자자, 학계 전문가를 대상으로 한 실시한 인터뷰에 의하면, 응답자의 72%는 2035년까지 완전한 결함허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨터가 등장할 것으로 내다봤다. 나머지 28%는 그 시점을 2040년 이후로 예상했다.
그럼에도 일부 기업들은 그보다 훨씬 더 앞서 양자 기술에서 가치를 창출하기 시작할 것이다. 가장 먼저 상용화될 영역은 클라우드 기반 양자 서비스다. 앞서 언급한 것처럼 이미 주요 컴퓨팅 기업들이 양자 클라우드 서비스 계획을 발표하며 선제적으로 시장에 진입하고 있다.
Q5. 양자 컴퓨팅과 AI는 어떤 관계인가
양자 컴퓨팅과 AI는 상호 보완적인 관계로 함께 발전시킬 수 있다. 두 기술이 결합된다면, 인공일반지능(AGI)의 구현에도 기여할 수 있다. 각 기술이 서로를 활용해 효율성을 높일 수 있는 방식은 다음과 같다.
양자 컴퓨팅은 AI가 방대한 데이터셋을 신속히 처리할 수 있도록 도와, AI 모델의 학습과 연산 과정을 가속화할 수 있다. 이를 통해 AI 애플리케이션은 다음과 같은 성과를 달성해 궁극적으로 AGI 실현의 기반을 다질 수 있다.
AI는 양자 컴퓨팅의 발전 및 최적화와 응용 분야 확대에 중요한 역할을 할 수 있다. AI가 양자 컴퓨팅에 도움을 줄 수 있는 주요 영역은 다음과 같다.
Q6. 양자 컴퓨팅 발전의 장애 요인은
양자 컴퓨팅의 발전을 가로막는 장애물 중 하나는 큐비트의 불안정성(volatility)이다. 기존 고전 컴퓨터의 비트는 1 또는 0의 상태이지만, 큐비트는 1과 0이 동시에 존재하는 조합 상태로 표현된다. 문제는 큐비트의 상태가 변하면, 입력값이 손실되거나 왜곡될 수 있어 결과의 정확도가 심각하게 떨어진다.
또 다른 장애물은 양자 컴퓨터가 돌파구를 제공하기 위해서는 수백만 개의 큐비트가 서로 연결돼야 한다는 점이다. 그러나 현재 존재하는 소수의 양자 컴퓨터는 이에 한참 못 미치는 큐비트를 포함하고 있다.
양자 컴퓨팅 기술의 확장을 막는 추가적인 도전과제는 다음과 같다.
Q7. 고전 컴퓨터는 양자 컴퓨터와 공존할까
컴퓨터의 도입은 점진적으로 진행될 것으로 보인이다. 초기에는 다변수 문제 해결을 위해 고전 컴퓨터과 양자 컴퓨터가 병행 사용될 것으로 예상된다.
일례로, 양자 컴퓨터는 기업이 직면한 금융이나 물류 문제에서 가능한 답의 범위를 좁혀 최적의 해결책을 더욱 빠르게 도출할 수 있도록 도울 수 있다. 양자 컴퓨터가 보다 의미 있는 혁신을 달성할 수 있을 정도로 발전할 때까지는 이러한 점진적 방식이 일반적일 것이다.
Q8. 양자 컴퓨터가 활용될 비즈니스 영역은
양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 차별화되는 네 가지 근본적 기능을 갖추고 있으며, 이들 기능은 모두 다양한 비즈니스 상황에 적용될 수 있다.
양자 시뮬레이션
양자 컴퓨터는 복잡한 분자를 정밀하게 모델링할 수 있어, 향후 화학·제약 산업의 연구개발(R&D) 기간 단축에 기여할 수 있다. 신약 개발 과정에서 과학자들은 특정 분자 간의 상호작용을 분석해야 하지만, 원자 단위의 복잡한 상호작용은 기존 컴퓨터로는 정확한 시뮬레이션이 어렵다. 그러나 전문가들에 따르면 양자 컴퓨터는 인체 내 복잡한 분자 구조까지도 모델링할 수 있을 만큼 충분한 연산 능력을 지니고 있다. 이에 따라 신약 및 혁신 치료법 개발 속도가 획기적으로 향상될 가능성이 열리고 있다.
최적화 및 탐색
모든 산업은 일정 수준의 최적화 문제를 안고 있다. 예를 들어, “로봇을 배치하기에 가장 효율적인 위치는 어디인가”, “배송 트럭의 최단 이동 경로는 무엇인가”와 같은 질문들이다. 고전 컴퓨터는 각 계산을 순차적으로 수행해야 하므로, 다변수 계산 시 시간과 비용이 많이 소모된다. 반면 양자 컴퓨터는 여러 변수를 동시에 처리해 가능한 해답의 범위를 빠르게 좁힐 수 있다. 이후 고전 컴퓨터를 활용하면 정확한 답을 도출할 수 있다.
양자 AI
양자 컴퓨터는 머신러닝 알고리즘의 성능을 혁신적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌다. 자동차, 제약 등 다양한 산업에서 이미 AI를 활용하고 있지만, 양자 컴퓨터는 특히 자율주행차 기술의 발전을 가속화할 수 있다. 포드, 제너럴모터스(GM), 폭스바겐 등 글로벌 완성차 기업과 여러 모빌리티 스타트업들은 복잡한 신경망을 통해 영상 및 이미지 데이터를 처리하며, 차량이 스스로 주행 결정을 내리도록 훈련하고 있다. 양자 컴퓨터의 다변수 동시 계산 능력을 활용하면 AI 시스템의 훈련 속도와 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.
소인수분해
현재 대부분의 암호화 시스템은 소수(prime number)를 기반으로 하는데 이 값은 고전 컴퓨터로는 분해하기 어려울 정도로 복잡하다. 양자 컴퓨터는 소인수분해 알고리즘을 통해 이러한 대형 소수를 훨씬 더 빠르게 해결할 수 있다. 특히, 쇼어 알고리즘(shor’s algorithm)은 이론상 이를 수행할 수 있도록 설계된 양자 알고리즘이지만, 이를 실제로 실행할 만큼 강력한 양자 컴퓨터는 아직 존재하지 않는다. 양자 컴퓨터가 충분히 고도화되면, 기존 온라인 서비스의 보안을 유지하기 위한 새로운 양자 암호화 기술이 필요해질 것이다. 이미 여러 과학자들이 이러한 미래에 대비해 양자 암호화(quantum encryption) 연구를 진행 중이며, 맥킨지는 2020년대 후반이면 양자 컴퓨터가 실질적으로 소인수분해를 수행할 수 있는 수준의 성능을 갖출 것으로 전망한다.
이러한 기능들은 양자 컴퓨팅 파워의 발전 속도에 비례해 확장될 가능성이 높다. 따라서 향후에는 앞의 사례들을 넘어서는 새로운 응용 분야와 혁신적 비즈니스 모델이 등장할 것으로 기대된다.
Q9. 양자 컴퓨팅 외 양자 기술의 전망은
맥킨지 분석에 따르면, 양자 컴퓨팅이 본격적으로 상용화되기까지는 아직 수년이 더 필요할 것으로 보인다. 그러나 양자 통신(quantum communication)과 양자 센싱(quantum sensing) 등 다른 양자 기술들은 그보다 훨씬 이른 시점에 상용화될 가능성이 있다.
양자 통신은 강력한 암호화 프로토콜 구현을 가능하게 해 민감한 정보의 보안을 획기적으로 강화할 수 있다. 특히 다음과 같은 영역에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
완전한 보안
양자 암호화 프로토콜과 양자 순간이동 기술은 두 지점 간 정보 전송 과정에서 완전한 보호를 보장한다. 이러한 양자 암호화는 향후 양자 컴퓨터의 연산 능력 향상이나 효율적 알고리즘 개발로 인해 보안이 뚫릴 위험이 있는 고전 암호화 체계보다 훨씬 더 안전하다.
향상된 양자 컴퓨팅 성능
양자 통신은 두 가지 중요한 양자 처리 방식을 지원한다. 병렬 양자 처리(여러 프로세서가 서로 연결돼 동일한 문제에 대해 서로 다른 계산을 동시에 실행)와 블라인드 양자 컴퓨팅(양자 통신을 통해 클라우드 상의 대규모 원격 양자 컴퓨터에 접근 가능)이다. 두 방식 모두 양자 얽힘 현상을 기반으로 하며, 이는 큐비트와 같은 입자들이 서로 연결돼 하나의 입자 변화가 다른 입자에 즉각적인 영향을 미치는 특성을 이용한 것이다.
현재 양자 통신과 양자 센싱 시장 규모는 양자 컴퓨팅에 비해 작지만, 맥킨지 전문가들은 향후 두 분야 모두 투자와 관심이 급속히 확대될 것으로 전망한다. 물론 이러한 양자 기술 투자는 높은 리스크를 수반하지만, 잠재적 보상 또한 매우 크다. 맥킨지에 따르면, 2030년까지 양자 통신과 양자 센싱 시장은 약 130억 달러의 매출을 창출할 것으로 예상된다.
맥킨지 익스플래이너
감수 김태영 맥킨지 서울 부파트너
동전을 던진다고 해보자. 앞면이 나올 수도 있고, 뒷면이 나올 수도 있다. 물론 동전이 땅에 닿아야 결과를 알 수 있다. 하지만 동전이 아직 공중에서 빙글빙글 돌고 있다면 앞면도 뒷면도 아니다. 즉, 앞면일 확률과 뒷면일 확률이 동시에 존재하는 것이다. 다시 말해, 바로 이렇게 모호한 상태가 양자 컴퓨팅의 기본 개념이라고 할 수 있다.
수십 년간 디지털 컴퓨터 덕분에 정보 처리 작업이 수월해졌다. 그러나 이와는 근본적으로 다른 접근 방식인 양자 컴퓨터는 컴퓨팅을 완전히 새로운 차원으로 끌어올릴 것으로 예상된다. 양자 컴퓨터는 금융, 교통, 제약, 친환경 기술 등 다양한 산업과 응용 분야에서 복잡한 통계적 문제를 해결해 오늘날의 컴퓨터가 가진 한계를 크게 뛰어넘을 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
양자 컴퓨팅은 양자 기술의 세 가지 주요 영역 중 하나에 불과하지만, 단독으로도 2035년까지 약 1.3조 달러에 달하는 가치를 창출하고 전례 없는 비즈니스 혁신을 가능하게 할 것으로 기대된다. 투자자들의 관심도 높아지고 있다.
맥킨지의 2024년 양자 산업 리더 설문조사에 따르면, 다수의 양자 기업들이 빠르게 규모를 확장하고 있다. 직원 수가 100명이 넘는다고 답한 응답자는 전체의 39%로 이는 2023년의 9% 대비 크게 증가한 수치다. 또한 정부 투자기관에서도 양자 기술 분야에 약 340억 달러 규모의 투자를 약속한 것으로 나타났다.
Q1. 양자 컴퓨터는 어떻게 작동하나
스마트폰을 구동하는 고전 컴퓨팅(classic computing)은 비트(bit)로 구성된다. 여기서 비트란 컴퓨터가 저장할 수 있는 가장 작은 정보의 단위로 0이나 1의 값으로 저장된다. 반면 양자 컴퓨팅은 0과 1 둘 다로 저장할 수 있는 퀀텀 비트 즉, 큐비트(qubit)로 이루어진다.
큐비트는 0과 1을 동시에 가지는 모든 조합을 나타낼 수 있다. 이를 중첩(superposition)이라고 하며, 모든 양자 상태의 기본 특성이다. 큐비트의 아원자 입자(subatomic particle)가 중첩 상태에 있으면, 서로 상호작용해 영향을 주고받을 수 있다. 이러한 현상을 양자 간섭(quantum interference)이라고 한다. 고전 컴퓨터의 마이크로칩과 마찬가지로, 양자 칩은 큐비트를 저장하는 물리적 하드웨어 역할을 한다.
컴퓨터가 문제 해결을 위해 여러 변수를 사용하는데 이때 변수 중 하나라도 바뀌면 계산을 다시 해야 한다. 각 계산은 단일한 경로를 따라 단 하나의 결과를 도출한다. 반면 양자 컴퓨터는 중첩을 통해 여러 경로를 동시에 탐색할 수 있다.
큐비트는 얽힘(entanglement)이라는 현상을 통해 서로 연결되고 상호작용할 수 있다. 큐비트는 얽힘을 통해 기하급수적으로 확장할 수 있는데, 가령 두 개의 큐비트는 4비트의 정보를, 세 개의 큐비트는 8비트의 정보를 저장하고 처리할 수 있다. 이러한 지수적 확장으로 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 훨씬 더 강력한 연산 능력을 발휘한다.
현재 여러 연구기관과 기업들은 확장 가능한 범용 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 다섯 가지의 큐비트 기술을 주로 활용하고 있다. 광자 네트워크(photonic networks), 초전도 회로(superconducting circuits), 스핀 큐비트(spin qubits), 중성 원자(neutral atoms), 포획 이온(trapped ions) 등이다.
Q2 양자 컴퓨팅의 최신 동향은
여러 글로벌 정보기술(IT) 기업들이 양자 기술에 투자하고 있다. 2024년 구글은 대부분의 슈퍼컴퓨터로는 10.7조년, 즉 우주의 나이보다 더 오랜 기간이 걸렸을 계산을 단 5분 만에 할 수 있는 실험용 양자 컴퓨터를 공개했다. 윌로(Willow)라는 이름의 구글 양자 칩은 주로 연구 및 특수 목적 분야에 활용되도록 설계됐다.
다른 기업과 연구기관들도 양자 컴퓨터 개발에 속도를 내고 있다. 2022년 중국 정부는 양자 컴퓨팅에 약 153억 달러 규모의 공공 투자를 약속했다.
2025년 2월 마이크로소프트는 양자 컴퓨팅의 획기적 발전을 가능하게 할 새로운 물질 상태를 발견했다고 발표했다. 마이크로소프트는 17년의 물리학 연구 끝에 공개된 ‘마요라나 1(Majorana 1)’ 양자 칩은 액체도, 고체도, 기체도 아닌 입자를 생성하는 ‘위상 큐비트(topological qubits)’라는 물성을 활용한다.
다만 새로운 물질 상태의 존재 여부와 양자 기계의 실용성 여부는 아직 과학적으로 완전히 입증되지 않았다. 마이크로소프트에 의하면 이번 양자 칩은 신약 개발, 배터리 기술 혁신과 더불어 AI 분야에서 경쟁 우위를 강화하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 많은 과학자들은 마이크로소프트의 위상 큐비트가 오류 수정의 효율성을 높이고 복잡성은 줄일 수 있을 것으로 전망한다. 또한 양자 시스템이 고유한 양자 특성을 잃고 고전 컴퓨팅 시스템처럼 행동하기 시작하는 ‘양자 결어긋남(decoherence)’ 현상을 막는 데에도 기여할 수 있을 것으로 보인다.
컴퓨터는 기존 업무용 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 문제 해결 능력을 갖추고 있지만, 아직 현실 세계에서의 적용 범위는 제한적이다. 그러나 양자 컴퓨터가 우리의 삶에 실질적인 영향을 미치게 될 시점이 빠르게 다가오고 있다.
Q3. 양자 컴퓨터는 어떤 목적에서 사용되나
오늘날의 고전 컴퓨터는 비교적 단순한 방식으로 작동한다. 제한된 입력값을 토대로 알고리즘을 사용해 하나의 답을 도출한다. 이때 입력값을 코드로 변환하는 비트들은 서로 정보를 공유하지 않는다. 양자 컴퓨터의 작동 방식은 다르다. 데이터가 큐비트로 입력되면 큐비트는 다른 큐비트와 상호작용해 여러 계산을 동시에 수행할 수 있다.
이 덕분에 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 속도로 연산할 수 있는 것이다. 또 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터처럼 하나의 명확한 답을 제시하는 것이 아니라, 여러 가능한 답의 범위를 제시한다.
범위가 제한적인 계산의 경우, 고전 컴퓨터가 여전히 선호된다. 그러나 구조가 복잡하고 변수가 많은 문제에서는 양자 컴퓨터가 가능한 답의 범위를 좁혀 시간을 절약할 수 있다.
Q4. 양자 컴퓨터의 도입 시기는
몇 년간 주요 양자 컴퓨터 기업 및 스타트업들은 컴퓨터가 처리할 수 있는 큐비트의 수를 늘리고 양자 컴퓨팅 기술의 성능을 개선하기 위해 계속 연구를 이어갈 것이다. 그러나 양자 컴퓨팅의 진보는 단기간에 이루기 어렵다. 현실 세계의 복잡한 문제를 빠르게 해결하기 위해 필요한 양자 볼륨(quantum volume)을 달성하는 과정은 장기전이 될 것으로 예상된다.
맥킨지가 양자 컴퓨팅 분야의 기술 경영진, 투자자, 학계 전문가를 대상으로 한 실시한 인터뷰에 의하면, 응답자의 72%는 2035년까지 완전한 결함허용(fault-tolerant) 양자 컴퓨터가 등장할 것으로 내다봤다. 나머지 28%는 그 시점을 2040년 이후로 예상했다.
그럼에도 일부 기업들은 그보다 훨씬 더 앞서 양자 기술에서 가치를 창출하기 시작할 것이다. 가장 먼저 상용화될 영역은 클라우드 기반 양자 서비스다. 앞서 언급한 것처럼 이미 주요 컴퓨팅 기업들이 양자 클라우드 서비스 계획을 발표하며 선제적으로 시장에 진입하고 있다.
Q5. 양자 컴퓨팅과 AI는 어떤 관계인가
양자 컴퓨팅과 AI는 상호 보완적인 관계로 함께 발전시킬 수 있다. 두 기술이 결합된다면, 인공일반지능(AGI)의 구현에도 기여할 수 있다. 각 기술이 서로를 활용해 효율성을 높일 수 있는 방식은 다음과 같다.
양자 컴퓨팅은 AI가 방대한 데이터셋을 신속히 처리할 수 있도록 도와, AI 모델의 학습과 연산 과정을 가속화할 수 있다. 이를 통해 AI 애플리케이션은 다음과 같은 성과를 달성해 궁극적으로 AGI 실현의 기반을 다질 수 있다.
AI는 양자 컴퓨팅의 발전 및 최적화와 응용 분야 확대에 중요한 역할을 할 수 있다. AI가 양자 컴퓨팅에 도움을 줄 수 있는 주요 영역은 다음과 같다.
Q6. 양자 컴퓨팅 발전의 장애 요인은
양자 컴퓨팅의 발전을 가로막는 장애물 중 하나는 큐비트의 불안정성(volatility)이다. 기존 고전 컴퓨터의 비트는 1 또는 0의 상태이지만, 큐비트는 1과 0이 동시에 존재하는 조합 상태로 표현된다. 문제는 큐비트의 상태가 변하면, 입력값이 손실되거나 왜곡될 수 있어 결과의 정확도가 심각하게 떨어진다.
또 다른 장애물은 양자 컴퓨터가 돌파구를 제공하기 위해서는 수백만 개의 큐비트가 서로 연결돼야 한다는 점이다. 그러나 현재 존재하는 소수의 양자 컴퓨터는 이에 한참 못 미치는 큐비트를 포함하고 있다.
양자 컴퓨팅 기술의 확장을 막는 추가적인 도전과제는 다음과 같다.
Q7. 고전 컴퓨터는 양자 컴퓨터와 공존할까
컴퓨터의 도입은 점진적으로 진행될 것으로 보인이다. 초기에는 다변수 문제 해결을 위해 고전 컴퓨터과 양자 컴퓨터가 병행 사용될 것으로 예상된다.
일례로, 양자 컴퓨터는 기업이 직면한 금융이나 물류 문제에서 가능한 답의 범위를 좁혀 최적의 해결책을 더욱 빠르게 도출할 수 있도록 도울 수 있다. 양자 컴퓨터가 보다 의미 있는 혁신을 달성할 수 있을 정도로 발전할 때까지는 이러한 점진적 방식이 일반적일 것이다.
Q8. 양자 컴퓨터가 활용될 비즈니스 영역은
양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터와 차별화되는 네 가지 근본적 기능을 갖추고 있으며, 이들 기능은 모두 다양한 비즈니스 상황에 적용될 수 있다.
양자 시뮬레이션
양자 컴퓨터는 복잡한 분자를 정밀하게 모델링할 수 있어, 향후 화학·제약 산업의 연구개발(R&D) 기간 단축에 기여할 수 있다. 신약 개발 과정에서 과학자들은 특정 분자 간의 상호작용을 분석해야 하지만, 원자 단위의 복잡한 상호작용은 기존 컴퓨터로는 정확한 시뮬레이션이 어렵다. 그러나 전문가들에 따르면 양자 컴퓨터는 인체 내 복잡한 분자 구조까지도 모델링할 수 있을 만큼 충분한 연산 능력을 지니고 있다. 이에 따라 신약 및 혁신 치료법 개발 속도가 획기적으로 향상될 가능성이 열리고 있다.
최적화 및 탐색
모든 산업은 일정 수준의 최적화 문제를 안고 있다. 예를 들어, “로봇을 배치하기에 가장 효율적인 위치는 어디인가”, “배송 트럭의 최단 이동 경로는 무엇인가”와 같은 질문들이다. 고전 컴퓨터는 각 계산을 순차적으로 수행해야 하므로, 다변수 계산 시 시간과 비용이 많이 소모된다. 반면 양자 컴퓨터는 여러 변수를 동시에 처리해 가능한 해답의 범위를 빠르게 좁힐 수 있다. 이후 고전 컴퓨터를 활용하면 정확한 답을 도출할 수 있다.
양자 AI
양자 컴퓨터는 머신러닝 알고리즘의 성능을 혁신적으로 높일 수 있는 잠재력을 지닌다. 자동차, 제약 등 다양한 산업에서 이미 AI를 활용하고 있지만, 양자 컴퓨터는 특히 자율주행차 기술의 발전을 가속화할 수 있다. 포드, 제너럴모터스(GM), 폭스바겐 등 글로벌 완성차 기업과 여러 모빌리티 스타트업들은 복잡한 신경망을 통해 영상 및 이미지 데이터를 처리하며, 차량이 스스로 주행 결정을 내리도록 훈련하고 있다. 양자 컴퓨터의 다변수 동시 계산 능력을 활용하면 AI 시스템의 훈련 속도와 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.
소인수분해
현재 대부분의 암호화 시스템은 소수(prime number)를 기반으로 하는데 이 값은 고전 컴퓨터로는 분해하기 어려울 정도로 복잡하다. 양자 컴퓨터는 소인수분해 알고리즘을 통해 이러한 대형 소수를 훨씬 더 빠르게 해결할 수 있다. 특히, 쇼어 알고리즘(shor’s algorithm)은 이론상 이를 수행할 수 있도록 설계된 양자 알고리즘이지만, 이를 실제로 실행할 만큼 강력한 양자 컴퓨터는 아직 존재하지 않는다. 양자 컴퓨터가 충분히 고도화되면, 기존 온라인 서비스의 보안을 유지하기 위한 새로운 양자 암호화 기술이 필요해질 것이다. 이미 여러 과학자들이 이러한 미래에 대비해 양자 암호화(quantum encryption) 연구를 진행 중이며, 맥킨지는 2020년대 후반이면 양자 컴퓨터가 실질적으로 소인수분해를 수행할 수 있는 수준의 성능을 갖출 것으로 전망한다.
이러한 기능들은 양자 컴퓨팅 파워의 발전 속도에 비례해 확장될 가능성이 높다. 따라서 향후에는 앞의 사례들을 넘어서는 새로운 응용 분야와 혁신적 비즈니스 모델이 등장할 것으로 기대된다.
Q9. 양자 컴퓨팅 외 양자 기술의 전망은
맥킨지 분석에 따르면, 양자 컴퓨팅이 본격적으로 상용화되기까지는 아직 수년이 더 필요할 것으로 보인다. 그러나 양자 통신(quantum communication)과 양자 센싱(quantum sensing) 등 다른 양자 기술들은 그보다 훨씬 이른 시점에 상용화될 가능성이 있다.
양자 통신은 강력한 암호화 프로토콜 구현을 가능하게 해 민감한 정보의 보안을 획기적으로 강화할 수 있다. 특히 다음과 같은 영역에서 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
완전한 보안
양자 암호화 프로토콜과 양자 순간이동 기술은 두 지점 간 정보 전송 과정에서 완전한 보호를 보장한다. 이러한 양자 암호화는 향후 양자 컴퓨터의 연산 능력 향상이나 효율적 알고리즘 개발로 인해 보안이 뚫릴 위험이 있는 고전 암호화 체계보다 훨씬 더 안전하다.
향상된 양자 컴퓨팅 성능
양자 통신은 두 가지 중요한 양자 처리 방식을 지원한다. 병렬 양자 처리(여러 프로세서가 서로 연결돼 동일한 문제에 대해 서로 다른 계산을 동시에 실행)와 블라인드 양자 컴퓨팅(양자 통신을 통해 클라우드 상의 대규모 원격 양자 컴퓨터에 접근 가능)이다. 두 방식 모두 양자 얽힘 현상을 기반으로 하며, 이는 큐비트와 같은 입자들이 서로 연결돼 하나의 입자 변화가 다른 입자에 즉각적인 영향을 미치는 특성을 이용한 것이다.
현재 양자 통신과 양자 센싱 시장 규모는 양자 컴퓨팅에 비해 작지만, 맥킨지 전문가들은 향후 두 분야 모두 투자와 관심이 급속히 확대될 것으로 전망한다. 물론 이러한 양자 기술 투자는 높은 리스크를 수반하지만, 잠재적 보상 또한 매우 크다. 맥킨지에 따르면, 2030년까지 양자 통신과 양자 센싱 시장은 약 130억 달러의 매출을 창출할 것으로 예상된다.
맥킨지 익스플래이너
감수 김태영 맥킨지 서울 부파트너
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