[과학산책] 새로운 기술 혁명을 위한 준비 '하이브리드 양자 컴퓨팅 기술'

양자컴퓨터는 기존 디지털 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결할 수 있다는 기대와 함께 새로운 기술 혁명의 주자로 떠오르고 있다. 금융, 의료, 물류, 보안 등 다양한 분야에 적용 가능하며, 천문학적인 경우의 수를 쉽게 계산하는 특성으로 인해 각 분야의 데이터를 더욱 정밀하게 분석할 수 있다는 기대가 커지고 있다.

최근 캐나다 기업인 D-웨이브가 개발한 양자컴퓨터가 미국 오크리지 국립연구소의 슈퍼컴퓨터로 100만년 걸릴 시뮬레이션을 단 20분 만에 해결했다는 소식은 이러한 가능성을 잘 보여준 사례다. 오크리지의 슈퍼컴퓨터 '프런티어(Frontier)'는 이론성능 205엑사플롭스로 한국과학기술정보연구원(KISTI)이 운영하는 슈퍼컴퓨터 5호기보다 약 80배, 새롭게 도입될 6호기보다 3배 이상 높은 성능이다. KISTI의 현재 거대과학 연구에 지원 중인 슈퍼컴퓨팅 자원과 비교해도 양자컴퓨터의 계산 능력은 가늠하기 어려울 만큼 막강하다.

하지만 양자컴퓨터는 아직 극복해야 할 기술적 난제가 많다. 큐비트 불안정성과 오류, 양자 상태 붕괴, 극저온 환경 유지, 큐비트 제어-해독 기술, 알고리즘 개발 등이 주요 과제다.

마이크로소프트, 구글 등 주요 기업들은 이런 한계를 극복한, 완벽한 상용화 시점을 2030년 전후로 보고 있다. 이런 주장대로라면 슈퍼컴퓨터로 100만년 걸리는 연산을 20분 만에 해결하는 양자 기술 혁명이 5년 남았다는 뜻이며, 새로운 기술 혁명 시대를 준비하는 현시점에서 엔비디아를 비롯한 클라우드 기업들이 양자-HPC 하이브리드 형태의 서비스를 제공하고 있다.

양자컴퓨터는 크게 하드웨어(HW), 응용 소프트웨어(SW), 양자컴퓨팅 서비스(QCaaS:Quantum Computing as a Service)로 나뉜다. 이 중 응용SW, QCaaS 부문의 연평균 성장율(CAGR)은 각각 32%, 35.5%로 HW 부문보다 2배 이상 높다. 이는 양자컴퓨터 활용 환경의 중요성이 그만큼 크다는 의미다.

그러나 현재 국내 연구진들은 해외 양자컴퓨팅 클라우드 서비스에 의존해 연구를 진행하고 있으며, 이 과정에서 긴 대기시간과 높은 비용, 불안정한 큐비트 환경 등 많은 제약에 직면하고 있다.

KISTI는 국내의 양자컴퓨팅 활용 역량 강화와 연구개발(R&D) 생태계 확대를 목표로 양자컴퓨터와 HPC를 하이브리드로 제공하기 위한 프로젝트에 본격적으로 돌입한다. 이온트랩 방식의 양자컴퓨터 도입·구축·운영, 하이브리드 실행환경, 클라우드 플랫폼 등을 자체기술력을 통해 4년에 걸쳐 단계별로 확보할 계획이다. 이를 통해 국내 연구진들은 양자-HPC 하이브리드를 활용한 연산을 비교적 쉽고 안정적으로 제공받을 수 있게 될 것이다.

물론 이 과정에서는 다양한 시행착오를 경험하게 될 것이다. 또 양자과학기술 전반적으로 양자기술 실증, 산업화, 인재양성, 국제협력 등 공통 과제들을 갖고 있다. 이런 공통된 과제들을 협업해 해결할 수 있도록 조속한 국가 양자 클러스터 조성, 사업 후에도 안정적인 인프라 운영과 지속적인 R&D 지원 방안 등의 마련이 필요하다.

여러 분야에서 기술 수준의 퀀텀 점프를 리드할 수 있고, 국가의 미래 경제·사회·안보에 지대한 영향을 미치는 게임체인저로 여겨지는 기술인만큼 국가차원에서 적극적인 지원책을 마련해야할 것이다.

황명권 한국과학기술정보연구원(KISTI) 정책연구센터장 mgh@kisti.re.kr