'중첩·얽힘'으로 한계돌파…'퀀텀 시대'는 예정된 미래

[이데일리 김가은 기자] 글로벌 빅테크 기업을 중심으로 전 세계적으로 인공지능(AI) 패권 경쟁이 심화하는 가운데 다음 패러다임을 주도할 미래 핵심기술로 ‘양자’가 주목받고 있습니다. 정부도 인공지능(AI)·반도체, 합성생물학과 함께 양자기술을 ‘3대 게임 체인저 기술’ 중 하나로 육성하고 있습니다.

그동안 물리학과 수학 등 기초과학 분야 연구자를 중심으로 연구돼 왔던 양자과학기술은 최근 컴퓨터·재료·전기 등 활용에 중점을 둔 학문과도 결합되면서 우리 실생활에 조금씩 쓰이기 시작했고, 활용 영역도 넓혀가고 있습니다.

[이데일리 김일환 기자]

◇슈퍼컴도 못 따라잡는 양자컴퓨터

양자기술은 기본적으로 양자역학의 원리를 이용해 기존 기술로 달성할 수 없는 한계점을 돌파하는 기술을 말합니다. 양자역학은 원자나 아원자 입자처럼 현존하는 가장 작은 규모의 물질과 에너지의 행동을 기술하는 물리학의 한 분야입니다. 특히 양자정보과학은 반도체와 신소재처럼 정밀 계측이 필요하거나 데이터를 기존에 불가능했던 속도로 처리하는 양자 컴퓨팅부터 양자센싱, 양자통신 분야를 중심으로 발전하고 있습니다.

(사진=한국과학기술기획평가원)

상용화가 임박했다고 평가받는 기술 중 하나는 바로 양자컴퓨팅입니다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 더 빠른 데이터 연산 속도가 특징입니다. 기존 컴퓨터들은 중앙처리장치(CPU)와 그래픽처리장치(GPU) 등을 처리장치로 사용합니다. 반면 양자컴퓨터는 QPU라고 불리는 양자프로세서를 사용합니다. 최소연산단위도 큐비트라는 새로운 개념을 사용합니다. 큐비트는 1 또는 0의 이진 상태로만 존재할 수 있는 비트(bit)와는 달리 1과 0이 동시에 중첩됩니다. 통상 양자 프로세서에 1큐비트가 추가될 때마다 수행 가능한 최대 연산 성능이 두 배로 늘어난다고 알려졌습니다.

이를 통해 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터를 활용해도 수백 년이 걸리는 문제를 단 몇 초 만에 해결할 수 있습니다. 새로운 분자 및 물질을 설계하기 위한 모델링 작업이나 더 정확한 금융 상품 개발, 사기 탐지를 위한 기술이 대표적입니다.

◇우월성 보다는 실용성에 초점

양자컴퓨터 개발은 크게 ‘양자 우월성’과 ‘양자 실용성’을 확보하기 위한 방향으로 연구와 개발이 이뤄지고 있습니다. 양자 우월성이라는 개념은 약 13년 전 존 프레스킬 캘리포니아 공과대학교 교수가 처음 사용했습니다. 단어에서 짐작할 수 있듯이 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 것을 뜻합니다.

구글이 2019년에 개발한 양자컴퓨터 ‘시커모아’. 절대온도(-273도)에서 작동하는 양자컴퓨터는 전도율이 높은 순금으로 제작된다. (사진=구글)

또 하나의 방향성은 최근 마이크로소프트(MS)가 언급한 ‘양자 실용성’이라는 개념입니다. 양자 컴퓨터가 단순히 고전 컴퓨터보다 빠른 속도로 수학 문제나 난제를 해결하는 것도 좋지만 산업과 과학, 금융 등 실생활에서 실제 가치를 제공하는 수준에 도달해야 한다는 점이 핵심입니다.

이는 양자 우월성이 실제 양자컴퓨터 성능과 비례한다는 착각에서 벗어나야 한다는 뜻과 같습니다. 단순히 큐비트 숫자를 늘리는 ‘갯수 경쟁’에 매몰돼 알고리즘에서 발생할 수 있는 오류 등 품질 해결을 등한시하면 안된다는 의미입니다. 따라서 전문가들은 큐비트 경쟁에 매몰되어서는 안된다고 지적합니다.

결국 양자컴퓨터 개발은 양자 우위를 실현 가능한 수준에서 달성하려는 니스크(NISQ, Noisy Intermediate Scale Quantum)파와 양자오류보정(QEC) 기술을 활용해 범용적으로 사용할 수 있는 양자컴퓨터를 만드는 결함허용 양자컴퓨팅(FTQC)파로 나눠 발전하고 있습니다. 두 갈래로 구분된 듯 보이지만 산업계에서는 궁극적으로 양자우위와 양자실용성을 모두 확보해야 한다는 입장입니다.

◇양자컴퓨터 발전에 통신·보안도 뜬다

양자컴퓨터가 예상보다 빠른 속도로 발전하자 통신과 보안 분야도 함께 주목받기 시작했습니다. 양자컴퓨터가 상용화될 경우 네트워크 통신을 통해 주고받을 데이터 안정성은 물론 기존 암호화 체계도 강화해야 하기 때문입니다.

양자컴퓨터 발전에 따른 주목해야 할 보안 키워드로는 양자내성암호(PQC)와 양자키분배(QKD)가 있습니다. 양자내성암호는 수학적 난제를 기반으로 현재 사용되고 있는 공개키 암호체계를 발전시키는 개념입니다. 즉 양자컴퓨터로도 풀 수 없는 수학적 난제를 개발해 보안성을 강화하는 방식인 셈입니다.

반면 양자키분배는 미세한 자극에도 상태가 변하는 양자의 물리학적 성질을 이용해 해킹이나 도청이 원천적으로 불가능한 암호키를 만들어 송신자와 수신자에게 나눠주는 개념입니다. 누군가 의도적으로 통신 과정에 개입해 데이터 탈취를 시도하면 정보가 즉각 변화한다는 점을 이용했습니다.

양자내성암호 전환 추진 로드맵(사진=국가정보원)

전 세계 정부와 기업들은 양자내성암호(PQC)를 도입하거나 이와 관련된 체계로의 전환을 고려하고 있습니다. 우리나라 정부도 고성능 양자 컴퓨터 출현 이후 무력화될 가능성이 큰 현 암호체계를 오는 2035년까지 PQC로 전환하겠다고 밝혔습니다.

앞서 국가정보원과 과학기술정보통신부는 ‘범국가 양자내성암호 전환 마스터플랜’을 발표한 바 있습니다. 양자통신의 핵심 기술인 QKD는 SK텔레콤(017670)과 KT(030200) 등 민간기업이 정부 지원을 받아 개발에 박차를 가하고 있습니다.

양자과학기술을 활용해 센서를 만드는 양자센싱도 주목받고 있습니다. 양자센서도 중첩과 얽힘 등의 양자역학 특성을 활용합니다. 양자 센서는 여러 상태로 동시에 존재할 수 있는 양자계의 중첩 특성을 이용해 측정의 민감도를 높입니다. 또 ‘양자 얽힘’ 상태를 활용해 상관 측정을 달성할 수 있습니다.

시장조사기관 SDKI 애널리틱스 보고서에 따르면 양자센서 시장은 올해부터 오는 2036년까지 연간 평균 성장률(CAGR) 21.9%를 기록하며 약 19억3060만달러(한화 약 2조6530억원) 규모까지 커질 것으로 예상됩니다.

보고서는 “양자 기술 솔루션이 지속적으로 개선되고 양자센서가 다양해지면서 시장이 큰 폭으로 성장할 것”이라며 “재료와 적용방법, 통합 기술 등의 개선으로 감도와 정확도, 적용성 등 성능이 향상될 것이다. 이에 따라 양자센서는 헬스 케어, 항공 우주 등 여러 분야에서 관심도가 높아질 것”이라고 전망했습니다.