젠슨 황이 도발한 양자기술, 韓, 반도체 강점 내세우면 희망있다

[이데일리 김현아 기자] 올해는 UN이 정한 ‘세계 양자과학기술의 해(IYQ)’이자, 양자역학의 주요 이론이 발표된 지 100주년이 되는 해다. 그러나 최근 젠슨 황 엔비디아 CEO가 “유용한 양자컴퓨터가 등장하기까지 20년이 걸릴 수 있다”고 언급하면서 한 때 혼란을 겪었다. 그럼에도 불구하고 양자기술은 여전히 주목받고 있다. 양자기술은 이제 물리학자의 실험실을 넘어 컴퓨터공학자들의 연구실과 기업으로 중심축이 이동하고 있으며, 향후 5~10년이 양자기술의 대중화 여부를 결정짓는 중요한 시기가 될 것으로 예상된다.

[이데일리 이미나 기자]

아인슈타인도 수긍하기 어려웠던 양자중첩과 양자얽힘

양자역학의 근간을 이루는 두 가지 중요한 이론이 발표된 해는 1925년이지만, 우리에게 더 익숙한 것은 아인슈타인과 닐스 보어 사이의 논쟁이다. 베르너 하이젠베르크가 ‘행렬역학’을 제안하고, 에르빈 슈뢰딩거가 ‘슈뢰딩거 방정식’을 완성한 것은 100년 전인 1925년이다. 이 두 이론은 양자역학의 수학적 기초를 마련하고 미시 세계의 현상을 설명하는 데 중요한 역할을 했다.

그러나 양자역학의 본질을 둘러싼 아인슈타인과 닐스 보어 간의 논쟁은 그 이후에 벌어졌다. 이 논쟁은 1927년 제5차 솔베이 회의에서 시작돼 아인슈타인의 생애 말년인 1955년까지 이어졌다.

양자 세계에서는 입자가 동시에 여러 상태를 가질 수 있으며, 관측되기 전까지 확률적 상태로만 존재하는 ‘양자중첩’이라는 특성이 있다. 이에 대해 아인슈타인은 “신은 주사위 놀이를 하지 않는다”며 양자역학의 확률적 해석에 의구심을 표명했다. 또한, 입자가 연결되어 같은 성질을 공유하는 ‘양자 얽힘’에 대해서는 이를 ‘유령 같은 원격 작용’이라고 비판했다. 그러나 현재 양자중첩과 양자얽힘 원리를 활용한 양자컴퓨터, 양자암호통신, 양자센싱 등이 개발되고 있는 상황을 보면, 자연 현상을 관찰해 법칙을 세우는 물리학의 관점에서 닐스 보어의 승리로 평가할 수 있다.

IBM의 초전도 물질 기반 양자컴퓨터. 칩과 케이블을 -273도까지 냉각시켜야 한다. 사진=IBM

젠슨 황도 2진법…순식간에 단번에 계산하는 양자컴퓨팅

양자컴퓨터는 물질의 기본 단위인 원자와 그를 둘러싼 전자의 속성을 파악해 파동성과 입자의 이중성을 활용하는 것으로, 기존의 컴퓨터 정보 처리 방식과 다르다.

현재의 컴퓨터는 0과 1을 사용해 하나하나 계산을 수행한다. 예를 들어, 1비트(BIT)는 0과 1, 2비트는 00, 01, 10, 11과 같이 표현된다. 4비트는 2의 4승=8개, 8비트는 2의8승=256개 이런 식이다.

이 비트는 컴퓨터의 ‘뇌’ 역할을 하는 중앙처리장치(CPU)의 사양을 나타내며, 해당 CPU가 처리할 수 있는 연산의 수를 의미한다. 엔비디아의 그래픽처리장치(GPU)는 병렬처리를 통해 CPU보다 대규모 연산을 더 빠르게 처리하지만, 두 장치 모두 2진법을 기반으로 작동한다.

반면 양자컴퓨터는 양자역학을 기반으로 하여, 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 큐비트(QUBIT)를 사용해 계산을 순식간에 처리한다. 여러 큐비트를 양자얽힘으로 연결하면 계산 속도가 급격히 향상된다. 구글은 지난달 차세대 양자칩 ‘윌로우’를 공개하며, “현재 최고 수준의 슈퍼컴퓨터가 10자년 걸릴 계산을 5분 만에 해결할 수 있다”고 발표했다. 여기서 10자년은 10의 24제곱, 즉 우주의 나이를 초과하는 엄청난 시간을 의미한다.

이는 양자기술이 인공지능(AI) 컴퓨팅 인프라에 중요한 기여를 할 수 있음을 시사하며, 현존하는 AI 반도체 대표주자인 엔비디아의 젠슨 황에게는 껄끄러운 주제가 될 수 있음을 보여준다. 양자컴퓨터는 25억 개의 GPU를 대체할 수 있다는 예측도 있다.

지난 9일, 과학기술정보통신부 주최로 열린 ‘제4차 K-퀀텀 스퀘어 미팅’에서 정윤채 한미양자기술협력센터 센터장은 “양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터, 인공지능의 하이브리드 모델은 주목할 만한 도전 과제”라며, “양자컴퓨터를 슈퍼컴퓨터의 가속기로 활용해 다양한 과학적 개선을 이루자는 시도가 있다”고 말했다.

아이온큐의 원자이온 기반 양자컴퓨터. 전기장으로 만든 그릇에 원자이온을 담아 활용하는 방식. 사진=이데일리 DB

◇자주적인 양자기술, 반도체·통신 강점에 희망 있다

양자칩이 널리 사용되는 시대가 오면 현재의 비트 기반 국방 전산체계가 무력화될 가능성도 있어 자주적인 양자기술 확보의 필요성이 커지고 있다.

그러나 우리나라의 양자기술력은 미국, EU, 중국에 비해 아직 부족하다. IBM은 이미 1000큐비트 컴퓨터를 개발했으며, 올해 1400큐비트 컴퓨터를 선보일 예정이다. 반면, 한국은 정부 주도로 올해부터 1000큐비트급 양자컴퓨터 개발을 시작했고, 2032년까지 양자컴퓨터, 양자인터넷, 양자 센서 개발을 추진할 계획이다.

한 양자기술 업체 관계자는 “삼성종합기술원이 양자컴퓨터 개발을 시도했지만 중단됐다”며, “대기업의 참여 없이는 어려운 상황”이라고 말했다. 정부 예산을 투입하더라도 한국표준과학연구원(KRISS)과 같은 정부출연연구원만 중심이 되면 글로벌 경쟁에서 우위를 점하기 어렵다는 우려가 제기되고 있다.

전문가들은 대만이 엔비디아의 지원을 받아 AI 서버의 90%를 생산하는 중요한 국가로 급부상한 사례를 들며, 우리나라도 양자컴퓨터의 뇌에 해당하는 큐비트뿐 아니라 양자 부품, 장비, 하드웨어, 소프트웨어 등 양자기술 생태계를 구축하고 산업 공급망을 마련해야 한다고 강조했다.

정현철 노르마 대표는 “리게티컴퓨팅이나 아이온큐는 큐비트에 집중하지만, 고객들은 몇 큐비트냐보다 이를 어떤 용도로 사용할 수 있는지가 더 중요하다”며, “따라서 우리는 플랫폼 개발에 집중하고 있다”고 말했다. 이어 “현재 반도체 시스템은 전력과 정확도 측면에서 한계에 부딪혔으며, 대한민국의 반도체 생산 및 설계, 광통신 분야 강점을 활용할 필요가 있다”고 덧붙였다. 노르마는 초전도체 기반 양자컴퓨터 ‘큐리온’의 24큐비트 모델을 발표할 예정이다.

한국양자정보학회 한상욱 회장은 “양자기술이 산업으로 전환되는 시점에서 학회가 중요한 역할을 할 것으로 기대하지만, 현재 회원 수는 500~600명으로 대부분 물리학 전문가들이다. 실질적인 결정을 내릴 수 있는 대기업 C레벨 인사의 참여가 필요하다”고 말했다.