이유 있는 투자 급증··· 2024년의 양자 컴퓨팅 이정표 11선

진공관, 릴레이, 기계식 기어를 비롯한 각종 아날로그 접근법을 사용하던 컴퓨터 초창기가 있었다. 오늘날 양자 컴퓨터가 이와 비슷한 단계를 지나고 있다. 특정 문제를 해결하는 데 사용할 수 있는 아날로그 양자 컴퓨터가 있는가 하면 범용 양자 컴퓨터를 향한 여러 접근 방식이 존재한다. 세미컨덕팅 큐비트, 트랩드 이온, 스핀 큐비트, 양자 닷, 토폴로지컬 큐비트, 광자 큐비트, 중성 원자 큐비트 등이 그것이다. 각각 고유한 장단점과 사용처를 가진다.

현재 실제 사용 사례에 가장 가까운 유형은 양자 어닐링(quantum annealing) 기술을 사용하는 것과 같은 아날로그 양자 컴퓨터다. 이는 일부 양자 관련 물리학 및 최적화 문제를 해결하는 데 이미 유용하다. 가령 왕관처럼 튀어오르는 물방울의 부피를 계산하는 문제를 들 수 있다.

범용 양자 컴퓨터의 경우, 현재로서는 초전도 접근 방식이 가장 앞서 있다고 가트너의 애널리스트 치라그 데카테는 진단했다. 그는 “일부 물리학 난제들이 풀려가고 있다. 이제는 물리학 문제가 아니라 공학적 문제로 간주될 정도다”라고 말했다.

실제 작동하는 양자 컴퓨터나 이를 구축하는 방법에 대한 공통된 표준이 마련되기까지는 아직 몇 년이 더 필요해 보이지만 투자 업계와 여러 국가의 정부, 대기업들은 양자 컴퓨팅을 진지하게 준비하고 있다. 예를 들어, 올여름 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 양자 컴퓨터가 등장할 때를 대비해 전 세계가 준비할 시간을 갖도록 양자 방지 암호화 알고리즘 세트를 발표했다.

양자 컴퓨팅의 엄청난 파괴적 잠재력에 주목하는 조직은 NIST만이 아니다. 투자자들도 마찬가지다. 11월 중순 현재 크런치베이스에 따르면 2024년까지 양자 컴퓨팅 분야에의 투자금이 사상 최고치인 15억 달러를 기록했다. 이는 2023년의 거의 두 배에 달하는 금액이며, 이전 기록인 2022년의 9억 6,300만 달러보다 훨씬 높은 수치다.

그리고 일부 앞선 대기업들은 이미 양자 기술에 돈을 쓰기 시작했다. 하이페리온 리서치는 올해 전 세계 양자 컴퓨팅 시장이 10억 달러에 도달했으며 2026년에는 15억 달러로 성장할 것으로 예상했다. 단 향후 몇 년간 가장 큰 사용 사례는 여전히 양자 컴퓨팅의 연구 및 개발이 될 것으로 전망했다.

맥킨지의 9월 보고서에 따르면, 양자 업계 리더의 55%는 이미 올해 비즈니스 현장에 대한 양자 사용 사례를 보유하고 있다고 답했는데, 이는 작년의 33%에서 증가한 수치다. 기존 접근 방식 대비 이점을 보여주는 애플리케이션을 개발했음을 의미한다. 콘스텔레이션 리서치의 홀거 뮬러 애널리스트는 “실제 사용 사례 수준에 이르렀다. 큐비트 장벽을 뛰어넘었다”라고 말했다.

큐에라, 새로운 오류 수정 방법을 제시

올해는 오류 수정의 획기적인 발전에 대한 일련의 발표로 시작됐다. 오류 수정은 민감한 큐비트의 특성으로 인해 중요하다. 씨티그룹 이노베이션 랩의 CTO이자 씨티 액셀러레이터의 글로벌 책임자인 요람 아비단은 오류 수정이 양자 계산의 정확성과 신뢰성을 보장하는 기술이기에 매우 중요하다며, 특히 금융 영역에서 더욱 그렇다고 설명했다. 그는 “은행 등의 금융 애플리케이션의 영역에서 안정적이고 예측 가능하며 정확한 양자 기반 솔루션을 구현하는 데 매우 절실하다. 오류 수정 기술의 발전은 양자 기반 솔루션의 채택을 확실히 가속화할 것”이라고 말했다.

씨티그룹은 이미 사용 가능한 기술을 실험하고 있다. 이 은행은 양자 컴퓨터가 포트폴리오 최적화 작업을 얼마나 잘 수행할 수 있는지 알아보기 위해 클라우드 기반 서비스인 아마존 브라켓(Amazon Bracket)을 사용 중이다. 아마존 브라켓은 아이온큐(IonQ), 리게티(Rigetti), 옥스포드 퀀텀 서킷(Oxford Quantum Circuits), 큐에라(QuEra) 등의 여러 물리적 양자 컴퓨터를 지원하는 서비스다
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오류 문제를 해결하기 위해 양자 컴퓨팅 전문 기업들은 여러 물리적 큐비트를 사용하여 오류 수정된 하나의 큐비트를 생성하곤 한다. 여기서 ‘여러’란 ‘수천 개’를 의미할 수도 있다.

올해 첫 번째 주요 뉴스가 바로 오류 수정과 관련된 소식이었다. 지난 1월, 8개의 물리적 큐비트만을 사용해 논리적 큐비트를 달성했다는 큐에라의 발표가 있었다. 이 회사는 횡단 게이트를 이용하는 새로운 오류 수정 방법을 제시했다. 이 회사는 2024년에 10개의 논리 큐비트를, 2025년에 30개의 논리 큐비트를, 2026년까지 100개의 논리 큐비트를 갖춘 컴퓨터를 개발한다는 3개년 로드맵을 발표했다. 이 시스템은 이미 아마존 브라켓에서 구매해 이용해볼 수 있다.

단점은 속도다. 큐에라의 시스템은 다른 시스템보다 느리며, 대신 오류 수정 품질에 우선순위를 둔다. 현재 사전 주문 단계인 온프레미스 시스템은 2025년 배송될 예정이다.

앨리스 앤 밥이 발표한 고양이 큐비트

1월에는 양자 컴퓨팅 스타트업인 앨리스 앤 밥(Alice & Bob)이 새로운 양자 오류 수정 아키텍처를 발표했다. 슈뢰딩거의 고양이에서 이름을 따온 이 회사의 고양이 큐비트는 노이즈가 발생하는 차원의 수를 줄임으로써 오류 수정의 돌파구를 마련했다. 앨리스 앤 밥의 테우 페로틴 CEO는 전자 회로 주위에 광자를 바운딩하여 오류를 수정하는 방법도 있다고 주장했다.

큐비트 수준의 양자 오류 보정을 주장한 노드 퀀티큐

지난 2월, 노드 퀀티큐(Nord Quantique)는 호두 크기의 알루미늄 용기에 광자를 반사시키는 오류 수정 기술을 사용하여 큐비트 신뢰성을 14% 향상시켰다고 발표했다. 그리고 이 접근 방식은 큐에라의 기술이 보여주는 속도 문제로부터 비교적 자유롭다.

이 기술은 광자를 물리적 큐비트에 연결함으로써 기존 오류 수정의 부하를 해소한다. 이 회사는 2028년까지 100개의 논리적 큐비트 시스템을 개발할 계획이다. 이 접근 방식은 특히 초전도 회로에서 잘 작동하며 경쟁 시스템보다 100~1,000배 빠른 메가헤르츠 주파수에서 작동한다고 회사는 전했다.

IBM, 키스킷 기능 카탈로그 출시

여름 잠시 주춤했던 양자 컴퓨팅 뉴스는 가을에 다시 쏟아졌다. 먼저 생태계 측면의 소식이 있었다. IBM은 기업 개발자가 양자 알고리즘으로 더 쉽게 작업할 수 있도록 설계된 6가지 양자 서비스를 제공하는 키스킷 기능 카탈로그를 출시했다. 이 카탈로그에는 오류 수정을 개선하고 양자 회로 개발을 간소화하는 IBM의 기능과 더불어 알고리듬믹(Algorithmiq) 및 Q-CTRL과 같은 파트너 기업의 기능이 포함되어 있다. 파트너 기업의 두 기능은 양자 회로를 이해할 필요 없이 최적화 및 화학 애플리케이션에 집중할 수 있게 해준다.

이 시스템은 양자 중심 슈퍼컴퓨팅에 대한 IBM의 비전의 일부로, 양자와 기존 리소스를 결합한 것이 특징이다. 초기 사용자로는 분자 시뮬레이션을 위한 클리블랜드 클리닉과 재료 연구를 위한 일본 이화학 연구소(RIKEN)가 있다.

마이크로소프트와 퀀티넘, 12개의 논리적 큐비트 발표

9월에 마이크로소프트는 퀀티넘(Quantinuum)과 협력해 12개의 논리적 큐비트를 만들었다고 발표했다. 마이크로소프트의 고급 양자 개발 담당 부사장인 크리스타 스보어에 따르면 당시 최대 규모의 논리적 큐비트에 해당했다. 퀀티늄은 양자 하드웨어를 제공했고 마이크로소프트는 오류 수정을 담당했다.

이 양자 컴퓨터는 규모 문제로 인해 여전히 기존 컴퓨터를 대체할 수 없다. 단 기업들이 사용 사례를 실험하고 알고리즘을 테스트하도록 한다. “이제 우리는 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨팅의 시대에 접어들었다”라고 스보어는 말했다.

마이크로소프트와 아톰 컴퓨팅, 24개의 작동 가능한 논리적 큐비트 발표

그 후 12개의 논리 큐비트로는 충분하지 않다고 판단한 마이크로소프트는 11월에 다른 양자 하드웨어 회사인 아톰 컴퓨팅(Atom Computing)과 공동으로 새로운 이정표를 발표했다. 두 회사는 112개의 물리적 큐비트를 기반으로 업계 최대 규모인 24개의 작동 논리 큐비트를 생성해냈다.

아톰 컴퓨팅은 양자 컴퓨팅에 ‘중성 원자’ 접근법을 사용한다. 중성 원자 큐비트의 경우 오류를 일으킬 뿐만 아니라 완전히 소실될 수도 있다. 해당 발표는 상용 중성 원자 시스템에서 손실 보정을 적용한 첫 번째 시연이었다.

설명에 따르면 연구팀은 하드웨어와 소프트웨어의 조합을 사용하여 레이저를 사용하여 원자를 그리드에 가둔 다음 마이크로소프트의 오류 수정 소프트웨어를 적용했다. 그 결과 일반 물리적 큐비트에 비해 오류율을 4배 이상 줄였다.

가트너의 데케트는 “마이크로소프트가 아톰과 협력해 논리적 큐비트를 달성할 수 있는 확장 가능한 방법을 마련했다. 실질적 진전이 일어나고 있다. 양자 업계은 더 좋고, 더 크고, 더 확장 가능한 컴퓨터를 만들고 있으며 혁신의 속도가 빨라지고 있다”라고 말했다.

기업 고객은 마이크로소프트 애저에서 해당 시스템을 주문할 수 있으며, 상용화 시기는 2025년이다. 이 시스템은 일반 클라우드 컴퓨팅 및 AI 도구와 함께 작동하기에 고객 기업은 기존 운영에 양자 기능성을 통합할 수 있다.

마이크로소프트의 스보어에 따르면 사용 가능한 논리적 큐비트의 총 수는 50개까지 늘어날 예정이다. 큐비트 수가 많을수록 고객 기업은 화학 및 재료 과학과 같은 애플리케이션의 워크플로에 안정적인 논리적 양자 컴퓨팅을 통합할 수 있다.

스보어는 “첫 번째 배포는 온프레미스 머신과 클라우드의 하이브리드 솔루션이 될 것으로 예상한다. 이를 통해 고객 기업은 애저 HPC 및 애저 엘리먼츠와 같은 클라우드 제품에 쉽게 접근할 수 있다. 고객의 요청에 따라 전체 클라우드 배포도 가능하다”라고 말했다.

용량 두 배로 늘리고 속도를 50배 높인 IBM

IBM은 11월에 양자 컴퓨팅 용량(capacity)을 두 배로 늘렸다고 발표했다. 새로운 156큐비트 헤론 양자 프로세서는 최대 5,000개의 2큐비트 게이트 연산으로 회로를 실행할 수 있다. 또한 성능도 크게 향상되어 이전에는 112시간이 걸리던 작업을 2.2시간 만에 완료할 수 있게 됐다.

회사에 따르면 IBM의 새 시스템은 키스킷 소프트웨어를 사용하여 연구자들이 화학, 재료 과학 및 기타 분야에서 양자 응용 프로그램을 탐색할 수 있도록 지원한다. 클리블랜드 클리닉은 이미 신약 개발을 위한 분자 결합을 시뮬레이션하는 데 이 시스템을 사용하고 있다.

이러한 개선은 하드웨어와 소프트웨어 각각의 발전 덕분이다. IBM의 플랫폼이 양자 및 기존 컴퓨팅 리소스를 통합하는데, 덕분에 고객 기업은 활용처별로 적합한 도구를 선택할 수 있게 된다.

콘스텔레이션 리서치의 뮬러는 오류 수정과 소프트웨어 측면 모두에서 진전을 이룬 점을 언급하며 “IBM이 전체 시장에 불을 지피고 있다”라고 말했다.

일본 이화학 연구소와 NTT, 세계 최초의 범용 광학 양자 컴퓨터 출시

이화학 연구소(RIKEN)와 NTT가 11월 세계 최초의 범용 광학 양자 컴퓨터를 출시했다. 이 시스템은 거의 상온의 온도에서 최대 수백 테라헤르츠의 속도로 동작한다.

이 컴퓨터는 시분할 멀티플렉싱(time-division multiplexing)을 갖춘 연속적 가변 아날로그 디자인을 사용한다. 연산이 양자 텔레포테이션을 통해 이뤄지는 구조다. 이화학 연구소에 따르면 해당 컴퓨터는 약 100개의 연속 수량 입력을 처리할 수 있다. 클라우드 서비스를 통해 접근할 수 있는 이 시스템은 재료 과학, 화학 및 AI 애플리케이션용으로 설계됐다.

이 접근 방식의 주요 이점 중 하나는 상온에서 작동한다는 것이다. 이에 비해 초전도 큐비트와 트랩드 이온 큐비트는 절대 영도에 가까운 온도에서 작동한다. 연구소 측은 이번 광학 양자 컴퓨터가 다른 양자 컴퓨팅 플랫폼보다 더 빠르다고 밝혔다.

처리 속도 2만 5,000배 가속화한 D-웨이브

아날로그 측면에서 또 다른 종류의 양자 컴퓨팅 기업인 D-웨이브는 11월에 4,400 큐비트 이상의 최신 어드밴티지2 프로세서에 대한 벤치마크 결과를 발표했다. 해당 시스템은 이전 버전보다 2만 5,000배 빠른 속도로 재료 과학 문제를 해결한다고 회사 측은 주장했다. 설명에 따르면 새로운 프로세서는 큐비트 일관성 시간을 두 배로 늘리고 큐비트 연결성을 개선한 것이 특징이다.

이 시스템은 고정밀 애플리케이션에 5배 더 나은 솔루션을 제공하고 만족도 문제 테스트에서 이전 버전보다 99% 더 나은 성능을 보였다고 회사는 밝혔다. 현재 D-웨이브의 양자 클라우드 서비스를 통해 사용할 수 있다.

하지만 D-웨이브의 큐비트는 범용 컴퓨터가 아니라 좁은 목적의 아날로그 컴퓨터이기 때문에 다른 회사의 기술과 직접적으로 비교하기 어렵다.

AI를 사용하여 오류 수정을 개선한 구글

내년에는 오류 수정에 있어 더 많은 진전을 기대할 수 있다. 바로 인공지능 때문이다. 11월 말, 구글은 양자 컴퓨터에서 오류를 발견하는 AI 시스템을 발표했다. 이 시스템은 대규모 언어 모델과 다른 유형의 생성형 AI의 기반이 되는 동일한 트랜스포머 기술을 사용하지만 양자 프로세스에 맞춰 특별히 훈련됐다.

구글에 따르면 이 시스템은 너무 느려서 실제로 실시간으로 오류를 발견하는 데 사용되기는 어렵지만, AI 기술이 발전함에 따라 오류율을 줄일 수 있는 추가적인 방법이 될 수 있다.

그리고 구글의 윌로우 칩

지난 12월 초 구글은 윌로우(Willow) 칩으로 실용적인 양자 컴퓨터 개발 경쟁에서 진전을 이뤘다고 발표했다. 구글에 따르면 윌로우 칩의 혁신적 측면은 크게 두 가지다.

먼저 큐비트 수가 증가할수록 오류 발생 빈도도 함께 증가한다는 단점을 해결했다. 3×3 인코딩된 큐비트 그리드에서 시작해 5×5, 7×7 그리드로 확장하며 점점 더 큰 물리적 큐비트 배열을 테스트한 결과, 최신 양자 오류 수정 기술을 통해 매번 오류율을 절반으로 줄일 수 있었다고 회사는 강조했다.

두 번째 진전은 큐비트 배열의 품질이 개선됨으로써 개별 물리적 큐비트보다 수명이 훨씬 길어졌다. 이는 양자 컴퓨터가 더 오랜 시간 동안 계산을 수행할 수 있다는 의미다. 구글은 윌로우가 기존 컴퓨터로는 복제할 수 없는 실용적이고 상업적으로 의미 있는 알고리즘의 구현을 가능하게 할 것이라고 주장했다.

앞으로 나아갈 길

그렇다면 언제쯤 양자 컴퓨터 사용이 본격화될 수 있을까? 보스턴 컨설팅 그룹의 연구원들은 실망스럽게도 실제 기업 사용 사례 측면에서 최근 진전이 없다고 전했다. 연구원들은 7월 보고서에서 “오늘날 양자 컴퓨팅은 상업적 또는 과학적 애플리케이션에서 기존 컴퓨팅에 비해 가시적인 이점을 제공하지 못한다. 언젠가는 양자 솔루션이 기존의 대안을 훨씬 능가할 과학적, 상업적 문제가 분명 존재한다는 데 동의하지만, 아직까지는 이러한 이점을 대규모로 입증하지 못했다”라고 밝혔다.

보스턴 컨설팅에 따르면 현재의 ‘노이즈가 많은 중간 규모의 양자’ 시대는 2030년까지 지속될 전망이다. 현 단계에서는 양자 컴퓨터의 큐비트 수가 너무 적고 오류가 너무 많아 그저 알고리즘을 테스트하고 다른 예비 연구를 수행하는 용도로만 활용 가능하다.

광범위한 양자 우위는 약 2030년부터 2040년에야 가능해질 전망이다. 이 리서치 회사는 그 시점에 최종 사용자가 연간 총 800억 달러에서 1,700억 달러의 가치를 창출할 것으로 예측했다. 이어 2040년에는 본격적인 내결함성 시대에 접어들며 최종 사용자는 연간 4,500억~8,500억 달러의 가치를 창출할 전망이다. 이는 양자 컴퓨터가 거의 모든 것을 처리할 수 있을 정도로 오류가 감소하는 시기다.

일부 양자 컴퓨팅 기업은 이보다 더 빠른 일정을 제시한다. 예를 들어, IBM의 양자 로드맵에 따르면 회사는 2029년에 오류를 완전히 수정한 시스템을 제공할 계획이다. 2033년 이후에는 2,000개 이상의 오류 수정 큐비트, 즉 논리적 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터를 출시할 것으로 예상하고 있다.

앞서 설명된 것처럼 오류 수정된 논리적 큐비트 하나를 생성하려면 많은 물리적 큐비트가 필요하다. IBM은 그때까지 10억 개의 게이트를 실행할 수 있는 10만 큐비트 컴퓨터를 개발할 예정이다.

가트너의 데카테는 일단 주목해야 할 기업을 IBM을 지목했다. 그는 “IBM이 선두를 달리고 있는 것은 분명하다. IBM은 스택의 모든 계층에서 혁신하고 있다. 하지만 아직은 초기 단계다”라고 말했다. 그는 이어 실행 가능한 양자 컴퓨터를 구현하는 것은 마라톤과 같다며 “우리는 이제 시작 단계에 있다”라고 전했다.

즉 지금 앞서가는 사람이 반드시 경주에서 승리하는 것은 아닐 수도 있다는 이야기다. 데카테는 “누가 앞서고 누가 뒤처지는지 파악하려는 함정에 빠져서는 안 된다. 리더보드가 매우 극적으로 변하기 때문에 잘못된 결정을 내릴 수 있다”라고 조언했다.

그는 이어 양자 컴퓨팅을 선도적으로 활용하고자 하는 기업은 여러 공급업체와 협력하여 다양한 경로를 모색해야 한다고 제안했다. 또 단기적인 투자 수익을 찾는 데 집중하는 대신 기술 개발, 역량 구축, 사용 사례 조사, 중단에 대한 대비에 대해 생각하라고 주문했다.

* 본 기사는 파운드리 미디어 네트워크 미디어인 네트워크월드가 발행한 ‘10 quantum computing milestones of 2024‘를 기반으로 한다.
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