[왜 양자인가?] <2>글로벌 IT 기업의 ‘양자우위(Quantum supremacy)’ 경쟁

군사적, 산업적 목적으로 활용할 양자기술을 개발하기 위한 경쟁이 전세계적으로 가속화되고 있다. 양자컴퓨터의 개발은 IBM, Intel, Google, Microsoft 등 IT 거대기업과 더불어 Rigetti, IonQ, QCWare등 신생 벤처기업들이 주목할 만한 성과를 내고 있다.

양자기술 개발에 가장 많은 투자를 하고 있는 중국은 2016년 발사한 양자위성(묵자호, 墨子號)을 통해 다양한 양자통신프로젝트들을 진행하고 있다. 중국이 10조원을 투자한 양자정보과학국립연구소(National Research Institute for Quantum Information Sciences)가 2020년 완공되면 더욱 양자기술개발이 가속될 것으로 예상된다.


한국기업은 삼성전자, SKT, KT가 양자컴퓨터와 양자통신 분야의 연구개발과 사업화를 추진하고 있고 정부출연 및 대학에서 기초연구에 몰두하고 있다 .

“양자산업 시장규모 400조원”
2017년 MIT대 선정 혁신기술, 2018년 디지털기술 TOP 10, 2019년 가드너(gartner) 선정 전략기술 톱10 등 세계 유수의 연구기관들이 양자컴퓨팅(Quantum Computing)을 ‘미래를 이끌어갈 주요 기술’ 중 하나로 꼽았다. 과기정통부는 세계 양자산업 시장규모가 2035년 400조원에 이를 것이라고 전망하고 있다. BCG(Boston Consulting Group)는 양자 컴퓨팅에 관한 전문가들의 논문을 토대로 3~5년 내 처음으로 응용 프로그램을 볼 수 있을 것으로 보고한 바 있다. 또 향후 수 십 년 동안 양자컴퓨터로 인한 생산성 향상은 매년 4,500억 달러(540조 4,500억 원)에 달할 것이라고 전망했다.

‘양자우위 (Quantum supremacy)’ 경쟁
양자우위 (quantum supremacy)란 양자 컴퓨터가 최고의 기존 컴퓨터(수퍼컴퓨터)보다 우수한 성능을 보인 순간을 의미한다. Google이 2014년에 양자 컴퓨팅 연구소를 설립했을 때, 약 50 큐비트로 양자 우위를 달성할 것이라고 했다. 당시 세계에서 가장 강력한 슈퍼 컴퓨터가 45큐비트까지만 시뮬레이션 할 수 있었기 때문에 Google은 50큐비트로 양자 우위를 달성할 것이라고 믿었다.


그러나 2017년 Google이 양자 우위를 달성하겠다고 약속한 같은 해에 IBM은 양자 컴퓨팅에 관한 연구 논문에서 56큐비트 조차도 양자우위을 달성하기에 충분하지 않다고 밝혔다. IBM은 양자컴퓨팅의 핵심이 큐비트의 수와 해당 큐비트의 오류율 조합을 나타내는 메트릭인 '양자량'이라고 주장했다.

2018년 구글 연구팀은 72큐비트(qubit) 양자 컴퓨팅칩 브리슬콘(Bristlecone) 벤치마크를 공개하면서 올 연말까지 양자우위 달성 가능성을 낙관한 바 있고, 2019년 9월 구글은 자사가 개발한 양자컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터가 합리적인 시간 내에 실행할 수 없는 양자 알고리즘의 실행에 성공하여 "양자우위(quantum supremacy)를 달성"했다고 발표했다.

양자컴퓨터의 상용화
양자컴퓨터의 상용화는 캐나다의 디웨이브(D-Wave)사가 2013년 ‘D-Wave 2’를 록히드 마틴 (Lockheed Martin), Google 및 NASA에 판매하며 시작됐다. 그러나 이는 업계에서 이론적으로 말하는 양자컴퓨터와는 기술적으로 차이가 있어 상용 양자컴퓨터라 하기엔 무리가 있다는 평가이다.

IBM은 양자컴퓨터 상용화 기술개발에 가장 앞장서고 있는 기업 중 하나다. IBM은 2016년 양자프로세서에서 프로그래밍과 다양한 테스트를 진행할 수 있는 '퀀텀 익스피리언스(Quantum Experience, IBM Q)'를 공개했고, 2017년 5월에 상업용 프로토타입 17큐 비트 양자컴퓨터 프로세서를 공개했다. 이어 IBM은 최초의 상업용 통합 양자컴퓨팅 시스템인 IBM Q System One을 CES 2019에서 발표함에 따라 첫 상업용 양자컴퓨터의 시대를 열였다.

올해 9월에는 뉴욕에서 Quantum Computation Center를 오픈하고 세계 최대의 양자 컴퓨팅 시스템을 IBM Q Experience 플랫폼을 통해 온라인으로 사용할 수 있는 새로운 53-Qubit 양자 시스템을 공개했다. 이 Quantum Computation Center는 150,000명 이상의 사용자와 80여개의 기업고객, 각국의 연구소,교육기관이 실용적인 애플리케이션을 탐색할 수 있도록 지원한다.

영국의 컨설팅 회사 CCS는 개발 경쟁에서 우위를 보이고 있는 IBM이 이 경쟁에서 최후 승리자가 될 것이며, 빠르면 2022년 양자컴퓨터의 상용화가 완성돼 관련된 애플리케이션을 선보일 수 있을 것으로 보고했다.

IT공룡기업의 시장선점 경쟁
Google은 2009년 ‘양자 인공지능(Quantum AI)’연구를 시작으로 양자컴퓨터 개발을 시작했다. 그 해 D-Wave Systems의 양자컴퓨터를 이용, 양자 이미지 검색 실증실험등을 진행하고 미 항공우주국(NASA)과 공동으로 아날로그 방식(양자어닐러)의 연구를 수행했다. 2013년 Google은 NASA와 공동으로 ‘양자 인공지능 연구소(Quantum Artificial Intelligence Lab, QuAIL)‘를 설립하고 범용 양자컴퓨터 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다.

이어서 2014년 아날로그방식을 사용하지만 디지털로 제어 가능한 양자 칩을 개발하면서 양자컴퓨터의 하이브리드 방식을 제창했고, 이해 4월 John Martinis 교수팀은 5 큐비트로 구성된 프로세서(Josephson Quantum Processor)를 개발해 네이처지에 논문을 발표하였다. 9월에는 John Martinis UCSB(University of California, Santa Barbara) 교수를 영입하고 양자컴퓨터 HW 연구소의 설립하여 양자컴퓨터 후발주자에서 순식간에 여러 경쟁자를 따라잡는 선두기업이 됐다.

Google은 2019년 NASA 웹사이트에 올린 연구논문에서 " 양자우위 (quantum supremacy) ”목표를 달성했다고 발표했다.