2000년대 들어 과학기술자들은 양자컴퓨터 개발을 자신해왔다.

미래형 첨단 컴퓨터인 이 컴퓨터를 개발할 경우 현존하는 컴퓨터 중 가장 크고 빠른 컴퓨터인 슈퍼컴퓨터를 압도할 수 있다는 것.

그러나 지금까지 선보인 양자컴퓨터의 성능을 보면 수십 큐비트(qubits) 수준에 머물고 있다. 이런 상황에서 IBM이 오는 2023년까지 1000 큐비트의 양자컴퓨터를 개발하겠다는 로드맵을 발표해 큰 주목을 받고 있다.

“2023년 목표 달성할 것으로 확신”

현재 사용하고 있는 컴퓨터의 성능 개발은 한계에 다다른 상황이다.

연산 능력을 높이기 위해 트랜지스터의 크기를 더 축소해왔지만 더 이상 줄일 경우 성능이 저하되는 한계점에 다다른 상황이다.

18일 ‘사이언스’ 지에 따르면 이런 상황에서 세계 최대 컴퓨터 회사인 IBM은 양자컴퓨터 개발에 노력을 기울여왔다.  9월 현재 시범운용하고 있는 양자컴퓨터의 연산 능력은 65 큐비트 수준이다.

그리고 이 양자컴퓨터 역시 기존 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는 것이다. 관계자들은 50 큐비트의 양자컴퓨터로 기존의 슈퍼컴퓨터를 능가할 수 있다고 보고 있다.

양자컴퓨터는 0과 1로 표시되는 비트(bit) 대신 0과 1을 동시에 가질 수 있는 큐비트를 사용하고 있다. 양자역학 상태에서 숫자가 동시에 중첩될 수 있기 때문에 그 연산 범위가 크게 늘어나게 된다.

1000 큐비트로 늘어나면 그 성능이 상상할 수 없는 수준으로 빨라져 어떤 바이러스든지 완벽하게 퇴치할 수 있는 맞춤 신약을 개발할 수 있다고 보고 있다.

그동안 IBM은 65 비트 양자컴퓨터를 연구용으로 가동해왔다. 그리고 2023년 1000 큐비트 성능을 공언한 것은 그동안 연구 결과에 비추어 ‘꿈의 컴퓨터’ 개발이 가능하다는 자신감을 표명한 것이라고 볼 수 있다.

IBM은 로드맵을 통해 2021년 127 큐비트와 433 큐비트의 중급형 양자컴퓨터를 개발하고, 이후 그 성능을 업그레이드해 2023년 1000 큐비트의 양자컴퓨터를 완성하겠다는 계획을 담고 있다.

IBM연구소의 다리오 길(Dario Gil) 소장은 “연구소에서 이미 계획에 착수해 실행단계에 들어가 있으며, 연구팀이 일정에 따라 성능을 발전시켜 2023년 목표를 넘어설 것으로 확신한다.”고 말했다.

클라우드 통해 모든 접속자 사용할 수 있어

그동안 양자컴퓨터를 개발해온 업체는 IBM뿐이 아니다.

구글, 인텔, D웨이브 등 다른 업체들 역시 경쟁적으로 양자컴퓨터 개발 소식을 전하며 다양한 청사진을 제시해왔다.

그럼에도 IBM 청사진이 주목을 받고 있는 것은 특수 목적이 아닌 범용화에 목표를 두고 있기 때문이다. 모든 접속자들이 클라우드를 통해 액세스할 수 있는 ‘풀스택 양자컴퓨터 디자인(full stack quantum computer design)’을 채택하고 있다.

실제로 현재 진행 중인 실험에는 약 8만 명의 참가자가 참여해 학습 프로그램에 참여하고 있으며, 일부 참가자는 게임 프로그램을 개발하고 있는 중이다.

프로젝트에 공동 참여하고 있는 업체 역시 수 십 개에 이른다. 호주의 퀀텀 컴퓨팅 스타트업 큐컨트롤(Q-CTRL)의 경우 현재 양자컴퓨터를 제어하는 소프트웨어를 개발하고 있는데 투자자들로부터 높은 평가를 받으며 세계적인 기업으로 부상하고 있다.

관계자들은 IBM에서 2023년 이 컴퓨터 개발에 성공할 경우 향후 양자컴퓨터 개발은 순풍을 탈것으로 보고 있다. 그러나 목표에 달성하기 위해서는 난제들이 줄을 잇고 있다.

그중에서도 보안 문제는 선결해야 할 과제 중의 하나다.

IBM연구소 측은 많은 양의 정보를 처리하는 만큼 수많은 보안 문제가 발생할 것으로 보고 강력한 암호화 프로그램을 개발 중이다.

수없이 발생할 수 있는 오류를 사전에 발견해 신속이 처리할 수 있는 프로그램을 개발 중이다. 개발자들은 새로이 구축한 오류 수정 프로토콜(error-correction protocols)을 통해 이 문제를 해결하고 있는 중이다.

양자역학에 의해 연산을 수행할 초전도체를 만드는 일 역시 중요한 과제가 되고 있다. 완벽한 제로(0)에 도달할 수 있는 초전도 큐비트 칩을 개발해야 하는데 이를 위해 완벽한 수준의 극저온, 진공상태도 요구된다.

문제는 한 번에 두 가지 상황이 겹치는(two-ways-at-once) 예민한 상태에 도달하는 과정에서 왜곡이 발생한다는 것이다.

이 문제를 해결하기 위해서 IBM은 높이 약 3미터, 약 1.8미터 폭의 ‘골든아이(Goldeneye)’라는 이름의 희석 냉동기를 개발하고 있다. 100만 큐비트 양자컴퓨터 냉각이 가능한데 향후 추가 냉동기를 제작해 병렬 상태에서 거대한 냉동 상황을 구축할 계획이다.