자동차-“양자 오류 수정 시대, 양자 컴퓨터 큰 도약 기대”

“우리는 이제 양자 오류 수정에 대한 새로운 시대에 진입하고 있고, 새로운 기회가 있을 것이라 생각한다. 향후 양자 성능이 크게 높아질 것으로 기대하며, 향후 5년 정도에는 내결함성 시스템이 나오는 등 흥미로운 시대가 될 것 같다.”

오스카 페인터(Oskar Painter) 미국 캘리포니아 공과대학 교수 겸 AWS 양자 하드웨어 총괄 책임자는 24일 서울 양재 aT센터에서 열린 ‘퀀텀 코리아 2025’ 행사의 기조연설에서 향후의 양자 컴퓨터의 과제와 전망에 대해 이와 같이 소개했다.

올해로 3회째 열리는 ‘퀀텀 코리아 2025’ 행사는 ‘100년의 양자, 산업을 깨우다’ 라는 슬로건과 함께 국제 컨퍼런스, 연구-산업 전시회, 국제협력 행사, 대중 강연 및 부대행사 등 다양한 프로그램이 준비됐다. 이번 ‘퀀텀 코리아 2025’ 행사의 기조연설에는 오스카 페인터 캘리포니아 공과대학 교수 겸 AWS 양자 하드웨어 총괄 책임자, 실리아 메르츠바허(Celia Merzbacher) 양자경제개발컨소시엄(QED-C) 대표가 무대에 올랐다.

오스카 페인터 미국 캘리포니아 공과대학 교수 겸 AWS 양자 하드웨어 총괄 책임자 / 권용만 기자

양자 오류 수정 시대, 물리-논리 결합해 곧 현실화 기대

오스카 페인터 교수는 먼저 “양자 컴퓨터는 양자 요소가 있다면 무엇으로든 만들 수 있다”고 제시했다. 그리고 현재 AWS는 ‘초전도 기반’ 양자 회로를 활용한 하드웨어를 연구하고 있고, 초전도 기반 양자 회로는 유연성과 확장성, 속도 면에서 장점이 있고, 아주 낮은 전압에서 구동되는 특징이 있다고 소개했다.

이어 오스카 페인터 교수는 “현재 양자컴퓨터에 대한 관심은 높지만 실질적으로 유용한 양자 컴퓨터는 아직 갈 길이 멀다”고 지적했다. 하지만 “지난 10년간 많은 진보를 이뤘다”고 평했다. 현재 양자 컴퓨팅 업계가 직면한 가장 큰 과제는 ‘노이즈’로, 노이즈의 제어가 연산 오류를 줄이고 통제할 수 있는 양자얽힘을 최대한 활용하는 데 필요하다고 강조했다.

이러한 양자 컴퓨터의 노이즈를 줄이는 데 있어, 15년 전에는 오류율이 10번 연산하면 한 번 오류가 나오는 10%에 이르렀지만, 지금은 300회 연산하면 한번 오류가 나오는 0.3%까지 줄었다. 하지만 업계의 요구는 ‘1조회 연산에서 1번의 오류’ 수준으로, 현재와는 큰 차이가 있다. 오스카 페인터 교수는 이를 극복하기 위한 방법으로 하드웨어 수준에서부터 오류 보정을 고려한 디자인과 논리 큐비트 단에서의 오류 보정을 함께 사용해 오류 보정의 부하를 줄이는 방안을 제시했다.

AWS는 하드웨어 수준에서 오류 보정을 고려한 디자인으로 ‘안정화된 캣 큐빗(Stabilized Cat Qubit)’을 제시했다. 기존의 트랜스몬(transmon) 큐빗 방식과 비교하면 오실레이터를 활용한 안정화 구조를 사용해 양자 컴퓨터에서 나올 수 있는 두 가지 오류 유형 중 ‘위상 플립(Phase flip)’을 억제할 수 있다는 점이 특징이다. 오스카 페인터 교수는 “위상 플립을 억제하면 양자 컴퓨터의 에러가 고전적 에러 유형에 가까워지고, 오류 보정이 단순화되며 보정에 대한 부담을 크게 줄일 수 있다”고 제시했다. AWS가 지난 2월 공개한 ‘오셀롯(Ocelot)’ 칩에도 이러한 특징이 적용됐다.

오스카 페인터 교수는 “앞으로 양자 오류 수정에 관련돼 새로운 시대에 진입할 것이며, 새로운 기회가 있다고 생각한다. 수백만 큐비트로의 길은 매우 어렵겠지만 전자 업계는 이미 수십년 전에 비슷한 문제를 겪었고 해결해 왔다. 양자는 이제 이 문제를 직면했지만, 기존의 경험에서 교훈을 얻을 수 있을 것이다”라고 말했다. 이어 “양자 오류 수정의 시대에 접어들면서 양자 성능이 크게 높아질 계기가 될 것”이라며 “향후 5년 정도면 내결함성 시스템이 나오는 등 흥미로운 시대가 될 것이다”라고 덧붙였다.

양자 산업, 이미 연구에서 현실로 부상해

실리아 메르츠바허(Celia Merzbacher) 양자경제개발컨소시엄(QED-C) 대표는 이번 기조연설에서 “전 세계의 양자 관련 국가 단위 투자에 있어 한국도 상위 5개국 수준에 들어간다”며 “QED-C의 회원사 중 1/3 정도는 해외에 있고, 한국에도 회원사가 있다”고 밝혔다. 이어 “전 세계적으로는 지금까지 양자 산업에 대한 누적 투자액이 557억달러(약 75조7130억원)에 이르고 있는 것으로 파악된다. 민간 부분의 경우는 현재 업계 전반의 투자 추정이 어려운 상황이다” 라고 말했다.

QED-C는 ‘2025 글로벌 양자 산업 보고서’를 통해 전 세계의 양자 관련 산업 현황을 소개한 바 있다. 최근 보고서에서는 양자 관련 사업을 부분적으로 영위하는 회사가 5989개, 양자 관련 사업만을 하는 순수 양자 관련 회사는 513개 정도로 집계했고, 이들이 실제로 상당한 고용 창출 효과를 만들어내고 있는 것으로 집계됐다.

실리아 메르츠바허 대표는 “이미 양자 산업은 활발하게 기술이 나오고 있고 많은 인력들이 고용되고 있으며, 실질적인 경제 가치를 창출하고 있다. 이런 부분을 전달하는 것이 우리의 중요한 역할이라 본다”고 밝혔다. 이어 “양자 컴퓨팅 업계는 지속적으로 매해 평균 27%의 성장세를 보여줄 것으로 기대된다”며 “예전의 기대치와 비교하면, 업계가 실제 달성한 수준은 예전 기대치보다 높았다. 현재의 화제성은 단순히 과장된 것이라 할 수는 없다”고 덧붙였다.

한편, 이 보고서에서는 양자 컴퓨터가 실용적인 ‘유틸리티’ 수준을 달성하기까지 필요한 시간에 대해 절반 정도의 응답자가 ‘2년~5년 정도’로 예상한 것으로 나타났다고 소개됐다. 또한 양자 컴퓨터를 사용하는 방식으로는 ‘클라우드’가 38% 정도로 높게 나타났지만, ‘온프레미스’ 또한 27% 수준에 이르기까지 높아지고 있다고 밝혔다. 현재 양자 컴퓨터에 대한 기대가 높은 분야로는 화학과 연구개발, 제약 부문이 꼽혔다.

한편, ‘양자 센서’ 분야도 매년 평균 25%씩 성장해 2028년에는 9억1500만달러(약 1조2429억원) 규모의 시장을 형성할 것으로 기대했다. 실리아 메르츠바허 대표는 “생명과학이나 항공우주 분야 등이 주 활용 영역으로 기대된다”며 “이 분야는 더 나은 기술에 프리미엄을 낼 의향이 있는 곳”이라 설명했다. 또한 “기술이 콘셉트에서 상용화에 이르는 단계에서 향후 연구소 단계의 기술이 줄어들고 상용화에 이르는 기술이 늘어날 것으로 예상된다”며 “기술이 빠르게 변하고 있다”고 말했다.

권용만 기자

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