컴퓨터가 처음 등장하던 시절에는 진공관, 릴레이, 기계식 기어, 그리고 여러 가지 유형의 아날로그 컴퓨터가 사용됐다. 오늘날 우리는 양자 컴퓨터와 같은 시대에 살고 있다. 매우 구체적인 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 아날로그 양자 컴퓨터가 있으며, 반도체 큐비트, 트랩 이온, 스핀 큐비트, 양자점, 위상 양자점, 광자 큐비트, 중성 원자 큐비트 등을 포함한 범용 양자 컴퓨터에 대한 여러 가지 접근 방식이 있다. 각각의 장단점과 사용례가 있다.

실제 사용례에 있어 가장 가까운 옵션은 양자 어닐링 기술을 사용하는 아날로그 양자 컴퓨터이다. 이 기술은 물이 가득 찬 욕조가 왕관과 같은 이상한 모양의 물리적 물체의 부피를 계산하는 문제를 해결하는 것과 유사한 방식으로 일부 양자 관련 물리학 및 최적화 문제를 해결하는 데 유용하다.

범용 양자 컴퓨터와 관련하여 초전도 접근법이 현재 선두에 있는 것으로 보인다. 가트너 애널리스트 치라그 데카테는 “물리학 측면은 잘 파악됐고, 이제는 물리학 문제가 아니라 공학 문제이다”라고 말한다.

실용적인 양자 컴퓨터를 개발하는 데는 아직 몇 년이 더 걸릴 것으로 보이고, 양자 컴퓨터를 구축하는 방법에 대한 공통의 표준조차 마련되지 않은 상황이지만, 투자자, 정부, 대기업은 양자 컴퓨팅을 진지하게 받아들이고 있다. 예를 들어, 올여름 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 양자 컴퓨터가 실제로 등장했을 때를 대비해 양자 내성 암호화 알고리즘을 발표했다.

NIST만이 양자 컴퓨팅의 파괴적인 잠재력을 보고 있는 것은 아니다. 투자자들도 마찬가지다. 크런치베이스(Crunchbase)에 따르면, 2024년 11월 현재 양자 컴퓨팅 펀딩이 15억 달러로 사상 최고치를 기록했다. 이는 2023년의 총액의 두 배에 달하는 수치로, 2022년에 세운 9억 6,300만 달러라는 이전 기록보다 훨씬 더 높다.

그리고 일부 거대 테크 기업은 이미 양자 기술에 돈을 투자하기 시작했다. 하이페리온 리서치(Hyperion Research)는 올해 전 세계 양자 컴퓨팅 시장 규모가 10억 달러에 달하고, 2026년에는 15억 달러로 성장할 것으로 예상한다. 하지만 향후 몇 년 동안 양자 컴퓨팅의 가장 중요한 사용례는 여전히 연구 및 개발이 될 것이다.

맥킨지의 9월 보고서에 따르면, 양자 산업 리더의 55%가 올해 양자 사용례를 프로덕션에 적용했다고 답했는데, 지난해 33%에서 증가한 수치이다. 이들 선도업체가 기존의 접근 방식에 비해 장점이 있는 애플리케이션을 개발했다는 것을 의미하지만, 상업적으로 출시 가능하다는 의미는 아니다.

컨스텔레이션 리서치의 애널리스트인 홀거 뮐러는 “실제로 실세계 사용례의 수준에 도달했다. 큐비트 장벽을 뛰어넘었다”라고 평가한다.

#1. 큐이라, 새로운 오류 정정 방법 시연

2024년은 오류 정정에 관한 획기적인 발표가 연달아 발표되면서 시작됐다. 오류 정정이란 무엇일까? 큐비트는 엄청나게 민감하고 신뢰할 수 없다. 씨티그룹 이노베이션 랩의 CTO이자 씨티 액셀러레이터의 글로벌 책임자인 요람 아비단은 “양자 컴퓨팅의 기업 사용자에게 오류 정정은 필수적이다”라고 말한다.

오류 정정은 양자 컴퓨팅의 정확성과 신뢰성을 보장하며, 특히 금융 모니터링에 중요하다. 아비단은 “오류 정정 기능은 안정적이고 예측 가능하며 정확한 양자 기반 솔루션을 가능하게 하는 결정적인 요소다. 특히 은행에서 실행하는 금융 애플리케이션의 맥락에서 그렇다”라며, “오류 정정은 은행의 양자 기반 솔루션 채택을 확실히 가속화할 것”이라고 설명했다.

하지만 씨티그룹은 그런 일이 일어나기를 기다리는 동안 이미 이용 가능한 기술을 실험하고 있다. 씨티그룹은 아마존 브라켓(Amazon Braket)이라는 클라우드 기반 서비스를 이용해 양자 컴퓨터가 포트폴리오 최적화 작업을 얼마나 잘 처리할 수 있는지 알아보고 있다. 아마존 브라켓은 아이온큐(IonQ), 리게티(Rigetti), 옥스퍼드 퀀텀 서킷(Oxford Quantum Circuits), 큐이라(QuEra) 등의 포함한 여러 물리 양자 컴퓨터를 지원한다.

오류 문제를 해결하기 위해 양자 컴퓨팅 업체는 여러 개의 물리적 큐비트를 사용해 오류 보정 큐비트를 만든다. 여기서 “여러 개”는 “수천 개”를 의미할 수 있다.

그리고 1월, 큐이라가 8개의 물리적 큐비트만을 사용해 논리적 큐비트를 구현했으며, 횡단 게이트를 사용하는 새로운 오류 보정 방법을 시연했다. 큐이라는 2024년에 10개의 논리 큐비트를 탑재한 컴퓨터, 2025년에 “매직 스테이트 디스틸레이션(magic state distillation)”을 사용해 30개, 2026년까지 100개의 논리 큐비트를 탑재한 컴퓨터를 구현하는 3개년 로드맵을 제시했다. 큐이라의 시스템은 이미 아마존 브라켓에서 이용할 수 있다.

오류 보정 큐비트를 사용하면 속도가 느려진다. 큐이라의 시스템은 다른 양자 컴퓨터보다 느리게 실행되지만 오류 정정 품질을 우선시한다. 2025년 납품을 목표로 온프레미스 시스템을 주문할 수 있다.

#2. 앨리스 앤 밥, 고양이 큐비트 고안

같은 시기에 양자 컴퓨팅 스타트업인 앨리스 앤 밥(Alice & Bob)이 새로운 양자 오류 정정 아키텍처를 발표했다. 앨리스 앤 밥의 오류 정정에 있어서 가장 큰 돌파구는 슈뢰딩거의 고양이에서 이름을 따온 고양이 큐비트에서 비롯되는데, 이 큐비트는 노이즈가 발생하는 차원 수를 줄여준다. 여기에 더해, CEO 테오 페로닌은 전자 회로 주위에 광자를 부딪혀 오류를 수정하는 방법도 사용한다고 밝혔다.

#3. 노드 퀀티크, 큐비트 수준에서 업계 최초로 양자 오류 교정 기술 개발

2월에는 노드 퀀티크(Nord Quantique)가 호두만한 크기의 알루미늄 용기 안에서 광자를 튕기는 유사한 오류 교정 기술을 사용해 큐비트 신뢰도를 14% 향상시켰다고 발표했다. 그리고 이 접근 방식은 큐이라의 속도 문제에서 자유롭다.

노드 퀀티크는 광자를 물리적 큐비트에 연결해 기존의 오류 정정에 필요한 막대한 오버헤드 없이 리던던시를 제공하는데, 2028년까지 100개의 논리적 큐비트 시스템을 제공할 계획이다. 노드 퀀티크의 접근 방식은 초전도 회로와 특히 잘 작동하며, 경쟁 시스템보다 100~1,000배 빠른 MHz 주파수에서 작동한다고 한다.

#4. IBM, Qiskit 기능 카탈로그 출시

여름에 잠시 주춤했던 양자 컴퓨팅 뉴스 발표는 가을에 다시 활발해졌다. 먼저 생태계 측면에서 돌파구가 마련됐다.

IBM은 키스킷(Qiskit) 라이브러리를 출시해 기업 개발자들이 양자 알고리즘을 더 쉽게 사용할 수 있도록 설계된 6가지 양자 서비스를 제공했다. 이 카탈로그에는 오류 정정을 개선하고 양자 회로 개발을 단순화하는 IBM과 알고리드믹(Algorithmiq), Q-CTRL 같은 파트너의 기능도 포함되어 있다. 두 가지 기능은 최적화와 화학 응용 분야에 초점을 맞추고 있어 양자 회로를 이해할 필요가 없다.

이 시스템은 양자 및 고전적 자원을 결합하는 양자 중심 슈퍼컴퓨팅에 대한 IBM의 비전 중 일부를 구현한 것이다. 초기 사용자로는 분자 시뮬레이션을 위한 클리블랜드 클리닉과 재료 연구를 위한 RIKEN이 있다.

#5. 마이크로소프트와 퀀티넘, 12개의 논리적 큐비트 발표

9월에는 마이크로소프트가 퀀티넘(Quantinuum)과 제휴해 12개의 논리 큐비트를 만들었다고 발표했다. 마이크로소프트의 첨단 양자 개발 담당 부사장인 크리스타 스보어에 따르면, 당시로서는 가장 논리적인 큐비트였다. 퀀티넘은 양자 하드웨어를 제공했고, 마이크로소프트는 오류 정정을 담당했다.

이 양자 컴퓨터는 아직 고전적인 컴퓨터가 할 수 없는 일을 하기에는 너무 작지만, 기업이 사용례를 실험하고 알고리즘을 테스트할 수 있게 해준다. 스보어는 “우리는 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅의 시대에 접어들었다”라고 강조했다.

#6. 마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅, 24개의 작동하는 논리 큐비트 발표

12개의 논리 큐비트가 충분하지 않다는 것을 깨달은 마이크로소프트는 11월에 다른 양자 하드웨어 업체인 아톰 컴퓨팅(Atom Computing)과 손을 잡았다. 양사는 112개의 물리적 큐비트를 기반으로 24개의 작동하는 논리적 큐비트를 만들어 지금까지 가장 많은 양을 시연함으로써 큰 이정표를 세웠다.

아톰 컴퓨팅은 양자 컴퓨팅에 “중성 원자” 접근 방식을 사용하는데, 이 접근 방식에서는 중성 원자 큐비트가 오류를 발생시킬 뿐 아니라 완전히 사라질 수도 있다. 이 발표는 상용 중성 원자 시스템에서 손실 보정을 구현한 최초의 기록이다.

양사는 하드웨어와 소프트웨어를 영리하게 결합해 레이저를 사용하여 원자를 격자 안에 가두는 방법을 사용했고, 마이크로소프트의 오류 정정 소프트웨어를 적용했다. 그 결과, 일반 물리적 큐비트에 비해 오류율을 4배 이상 줄일 수 있었다.

가트너의 데케이트는 “마이크로소프트는 아톰 컴퓨팅을 통해 논리적 큐비트를 달성할 수 있는 확장 가능한 방법을 가지고 있다. 진정한 발전이 이루어지고 있다. 양자 산업은 더 좋고, 더 크고, 더 확장 가능한 컴퓨터를 만들고 있다. 혁신의 속도는 계속해서 가속화되고 있다”라고 평가했다.

마이크로소프트는 2025년 배송을 목표로 이 시스템의 사전 주문을 받았는데, 특히 일반적인 클라우드 컴퓨팅 및 AI 도구와 함께 작동하므로 기업은 양자 기능을 기존 운영에 통합할 수 있다. 마이크로소프트의 스보어에 따르면, 사용 가능한 논리 큐비트의 총 수는 50개까지 증가할 것이며, 큐비트의 수가 많을수록 고객은 화학 및 재료 과학과 같은 애플리케이션의 워크플로우에 신뢰할 수 있는 논리 양자 컴퓨팅을 통합할 수 있다.

#7. IBM, 기능 두 배로 늘리고 속도 50배 향상

IBM도 11월에 양자 컴퓨팅 용량을 2배로 늘렸다고 발표했다. 새로운 156큐비트 헤론 양자 프로세서는 최대 5,000개의 2큐비트 게이트 연산을 실행할 수 있다. 또한 성능이 크게 향상되어 이전에는 112시간이 걸렸던 작업을 2.2시간 만에 완료했다.

IBM의 시스템은 연구팀이 키스킷 소프트웨어를 사용해 화학, 재료 과학 및 기타 분야에서 양자 애플리케이션을 탐색할 수 있도록 지원한다. 클리블랜드 클리닉은 이미 이 시스템을 사용해 신약 개발을 위한 분자 결합을 시뮬레이션하고 있다.

이런 개선은 하드웨어와 소프트웨어의 발전에 기인한다. IBM의 플랫폼은 이제 양자 및 고전 컴퓨팅 자원을 통합해 고객이 계산의 각 부분에 가장 적합한 도구를 선택할 수 있도록 한다. 컨스텔레이션 리서치의 뮐러는 오류 정정과 소프트웨어 측면의 발전으로 인해 IBM은 주목해야 할 업체라고 평가하며, “IBM은 전체 시장을 과열 상태로 몰아넣고 있다”라고 덧붙였다.

#8. RIKEN과 NTT, 세계 최초의 범용 광양자 컴퓨터 출시

리켄(RIKEN, 일본 이화학연구소)과 NTT는 11월에 세계 최초의 범용 광양자 컴퓨터를 출시했다. 이 시스템은 거의 실온에서 작동하며 최대 수백 THz의 속도로 처리한다. 이 컴퓨터는 시간 분할 다중화 방식의 연속 가변 아날로그 설계를 사용하며, 양자 텔레포테이션을 통해 연산을 수행한다. 약 100개의 연속 수량 입력을 처리할 수 있다. 이 시스템은 클라우드 서비스를 통해 액세스할 수 있으며, 재료 과학, 화학, AI 애플리케이션용으로 사용할 수 있다.

양자 컴퓨팅에 대한 이 접근 방식의 주요 이점 중 하나는 실온에서 작동한다는 것이다. 이에 비해 초전도 큐비트와 포획 이온 큐비트는 절대 영도에 가까운 온도에서 작동한다. 리켄에 따르면, 광학 양자 컴퓨터는 다른 양자 컴퓨팅 플랫폼보다 빠르다.

#9. 처리 속도를 2만 5,000배 향상시킨 디웨이브

11월에는 또 다른 종류의 양자 컴퓨팅인 아날로그 방식의 양자 컴퓨팅에서 디웨이브(D-Wave)가 최신 4,400큐비트 이상의 어드밴티지2 프로세서에 대한 벤치마크 결과를 발표했다. 이 시스템은 이전 버전보다 2만 5,000배 더 빠르게 재료과학 문제를 해결한다는 것이 디웨이브의 주장이다. 새로운 프로세서는 큐비트 일관성 시간을 두 배로 늘리고 큐비트 연결성을 개선해 더 큰 문제에 대한 솔루션을 가능하게 한다.

이 시스템은 고정밀 애플리케이션에 대해 5배 더 나은 성능을 제공하며, 만족도 문제 테스트의 99%에서 이전 버전을 능가한다. 현재 디웨이브의 양자 클라우드 서비스를 통해 이용할 수 있다. 그러나 디웨이브의 큐비트는 범용 컴퓨터가 아니라 특수 목적의 아날로그 컴퓨터이기 때문에 다른 회사의 큐비트와 직접 비교할 수는 없다.

#10. 구글, AI를 사용해 오류 정정 개선

2025년에는 오류 정정에 대한 더 많은 진전을 기대할 수 있을 것이다. 그 이유 중 하나는 바로 AI다. 11월 말, 구글은 양자 컴퓨터의 오류를 발견하는 AI 시스템을 발표했다. 이 시스템은 LLM을 비롯한 여러 생성형 AI의 기반이 되는 트랜스포머 기술을 사용하지만, 양자 프로세스에 맞게 특별히 훈련됐다. 구글은 이 시스템이 실시간으로 오류를 감지하기에는 너무 느리다고 말하지만, AI 기술이 발전함에 따라 오류율을 줄일 수 있는 추가적인 방법을 제시할 수 있을 것이다.

2030년을 바라보는 양자 컴퓨팅의 향후 전망

그렇다면 양자 컴퓨터가 언제 작동하게 될까? 보스턴 컨설팅 그룹의 애널리스트들은 실제 기업 사용례의 진전이 부족하다는 점에 실망했다고 평가했다. 보스턴 컨설팅 그룹의 연구원들은 7월 보고서에서 “오늘날 양자 컴퓨팅은 상업적 또는 과학적 애플리케이션에서 기존 컴퓨팅에 비해 실질적인 이점을 제공하지 않는다”라고 평가했다. 또 “전문가들은 양자 솔루션이 언젠가는 기존 대안을 훨씬 능가할 수 있는 명확한 과학적, 상업적 문제가 있다는 데 동의하지만, 이 새로운 기술은 아직 그 이점을 대규모로 입증하지 못하고 있다”라고 지적했다.

보스턴 컨설팅 그룹에 따르면, 현재 우리가 살고 있는 ‘노이즈가 많은 중간 규모 양자’ 시대는 2030년까지 지속될 전망이다.

현재 양자 컴퓨터는 큐비트가 너무 적고 오류가 너무 많아 실질적으로 유용하지 않지만, 알고리즘을 테스트하고 다른 예비 연구를 수행하는 데 사용할 수 있다. 보스턴 컴퓨팅 그룹에 따르면, 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제를 해결하는 데 사용될 수 있는 광범위한 양자 우위는 2030년부터 2040년까지 지속될 것이다. 이 시기에 최종 사용자가 연간 총 800억~1,700억 달러의 가치를 창출할 것으로 예측한다.

2040년이면, 본격적인 내결함성(fault tolerance)의 시대로 접어들 것이며, 최종 사용자는 연간 4,500억~8,500억 달러의 가치를 창출할 수 있다. 이때쯤이면 오류가 줄어들어 양자 컴퓨터가 거의 모든 것을 처리할 수 있을 정도로 확장될 수 있을 것이다.

일부 양자 컴퓨팅 업체는 그보다 더 빨리 목표를 달성할 것으로 기대하고 있다. 예를 들어, IBM의 양자 로드맵에 따르면, IBM은 2029년에 오류 정정이 완전히 이루어진 시스템을 제공할 예정이다. 2033년 이후에는 오류 정정이 이루어진 큐비트(논리적 큐비트)가 2,000개가 넘는 양자 컴퓨터를 보유할 것으로 예상된다. 오류 정정이 가능한 논리 큐비트 하나를 생성하는 데는 많은 물리적 큐비트가 필요하기 때문에 IBM은 100,000 큐비트 컴퓨터를 개발해 10억 개의 게이트를 실행할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

가트너의 데카테는 IBM을 주목해야 할 기업이라고 말한다. 데카테는 “IBM이 시장을 선도하고 있다는 것은 분명하다. IBM은 스택의 모든 계층에서 혁신을 이루고 있다. 그러나 아직 초기 단계이다”라고 평가했다. 또, 실용적인 양자 컴퓨터를 만드는 것은 마라톤과 같다며, “우리는 지금 그 첫 5분 정도에 있다”라고 덧붙였다.

오늘 앞서가는 사람이 반드시 경주에서 이기는 것은 아니다. 데카테는 ”기업은 누가 앞서고 누가 뒤처지는지를 파악하려는 함정에 빠지지 말아야 한다. 그렇게 되면 순위표가 급격하게 변하기 때문에 잘못된 결정을 내릴 수 있다”라고 지적했다.

데카테는 양자 컴퓨팅을 활용하는 방법을 찾는 데 앞장서는 기업이 여러 업체와 협력하고 다양한 경로를 모색할 것으로 제안한다. 그리고 단기적인 투자 수익을 찾는 데 집중하는 대신, 기술 개발, 역량 구축, 사용례 조사, 혼란에 대한 준비 등에 대해 생각해야 한다고 강조했다.
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