[양자 혁명] 빅테크 3파전 ① 구글-아마존-MS 최종 승자는

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[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 양자 컴퓨팅 시대의 주도권을 놓고 미국 빅테크의 3파전이 달아 올랐다.

컨설팅 업체 맥킨지 앤드 컴퍼니가 2035년 시장 규모를 2조달러로 전망한 가운데 세상을 바꿔 놓을 '꿈의 기술'을 선점하려는 경쟁이 뜨겁다.

특히 구글과 마이크로소프트(MSFT), 아마존(AMZN)이 연이어 이른바 '양자 칩'을 선보이면서 차세대 컴퓨팅의 상용화 가능성에 관심과 기대가 고조되는 모양새다.

IT 전문가들과 월가에서 지금까지 최고의 양자 컴퓨팅 칩으로 평가 받는 것은 구글이 개발한 윌로우(Willow)다.

2024년 12월 공개된 윌로우가 높은 평가를 얻는 이유는 해당 칩들 가운데 가장 많은 큐비트(qubit, 양자를 의미하는 quantum과 디지털 정보 단위 bit의 합성어)를 탑재하고 있기 때문.

구글과 주요 외신에 따르면 윌로우의 큐비트는 105개로, 8개의 큐비트를 탑재한 마이크로소프트의 마요라나 원(Majorana 1) 및 9개를 탑재한 아마존의 오셀롯(Ocelot)과 커다란 간극을 두고 있다.

양자 컴퓨터에서 큐비트의 수는 시스템의 연산력과 직접적으로 연결되기 때문에 중요성이 크다. 탑재한 큐비트가 많을수록 연산 처리 속도가 빨라지고, 더 복잡한 연산을 처리할 수 있게 된다. 인공지능(AI) 기술에서 파라미터와 동격이라고 볼 수 있다.

이견도 없지 않다. 마이크로소프트는 마요라나 원이 최초의 위상(topological) 큐비트를 탑재했기 때문에 우월한 칩이라고 주장한다. 위상 큐비트는 보다 안정적이고, 전통적인 큐비트에 비해 오류가 적은 것으로 알려져 있다.

구글 윌로우 홍보 이미지 [자료=업체 제공]

업계 전문가들은 큐비트의 수가 일차적으로 양자 컴퓨터의 성능에 중요한 변수지만 유기적인 연결도 중차대한 변수라고 지적한다. 큐비트 한 가지만으로 칩을 평가할 수는 없다는 얘기다.

구글이 윌로우를 공개하자 IT 업계는 크게 술렁거렸다. 기존의 슈퍼 컴퓨터의 한계를 뛰어넘을 수 있는 '신의 계산'이 가능해 질 것이라는 기대와 아직 시기 상조라는 회의론이 엇갈렸다.

빅테크 가운데 구글이 선제적으로 양자 컴퓨팅 기술 개발에 뛰어 들었다. 인베스팅닷컴에 따르면 업체는 지난 2018년부터 NASA(미 항공우주국)과 공동으로 양자 컴퓨팅 개발에 나섰고, 결과물이 윌로우에 앞서 화제를 모았던 시커모어(Sycamore)였다.

구글 양자 칩 [사진=블룸버그]

NASA는 지난 2019년 9월 게시판에 특정 양자 컴퓨팅 칩이 기존의 슈퍼 컴퓨터를 압도하는 연산 능력을 보였고, 최초로 이른바 '양자 우월성(양자 우월)'을 이뤘다고 공개했다.

현존하는 슈퍼 컴퓨터로도 1만년이 걸리는 연산을 양자 컴퓨터가 3분20초만에 풀어냈다는 주장이었다.

화제의 칩이 다름아닌 구글의 시커모어였고, 아마존의 클라우드 사업 부문 아마존웹서비스(AWS)가 2021년 양자컴퓨팅센터(CQN)를 세우는 등 빅테크들이 양자 칩 개발 경쟁에 합류했다.

시커모어로 세상을 놀라게 했던 구글은 윌로우를 공개하며 또 한 차례 세간의 이목을 끌었다. IT 업계 전문가들은 윌로우가 획기적으로 강력한 칩이라고 평가한다.

무엇보다 전통적인 슈퍼 컴퓨터가 약 10의 24제곱 년(septillion years) 동안 작업해야 하는 연산을 단 5분 이내에 완료할 수 있다는 것.

시장 전문가들은 구글이 또 한 차례 양자 컴퓨팅 성능의 도약을 이뤄냈다고 평가했다. 기존의 컴퓨터로는 불가능한 문제를 풀어낼 수 있게 됐다는 얘기다.

윌로우의 강점은 크게 세 가지로 정리된다. 먼저, 양자 우월성(quantum supremacy)이다. 이는 속도에 관한 부분이다. 고전적인 컴퓨터보다 현저하게 빠른 연산을 수행해 양자의 우월성을 입증해 냈다는 평가다.

두 번 째는 벤치마킹 테스트(benchmarking test)다. 해당 성능을 입증하는 계산은 소위 '무작위 회로 샘플링'이라고 불리는데, 직접적으로 현실적인 문제에 적용할 수는 없지만 양자 컴퓨팅의 잠재력을 측정하는 척도로 사용된다.

마지막으로 잠재적 응용(potential applications)이다. 아직 초기 단계이긴 하지만 윌로우의 성능이 신약 개발이나 신소재 과학, 암호학 등 다양한 분야에서 획기적인 돌파구를 마련할 수 있는 가능성을 보여줬다는 데 업계 전문가들은 입을 모은다.

이 밖에 인베스팅닷컴은 양자 상태 유지 시간이 개선돼 연산 수행 시간을 늘렸고, 오류를 효과적으로 수정할 수 있는 오류 수정(error correction) 알고리즘을 적용한 점이나 기존 컴퓨터와의 연결성을 개선한 점이 윌로우의 기술적 특징이라고 전했다.

구글은 IT 업계가 30년에 걸쳐 연구한 양자 오류 수정을 더 많은 큐비트를 탑재하는 전략으로 돌파했다고 밝혔다.

구글의 양자 컴퓨팅 기술 개발 팀인 구글 퀀텀 AI는 지난 2012년 구글 리서치의 내부 조직으로 출범했다. 십 수 년 사이 수 차례에 걸쳐 굵직한 기념비를 세운 팀은 현실 세계에 적용할 수 있는 실용적인 기술을 개발하는 것이 윌로우 다음 목표라고 말한다.

업계 전문가들은 구글을 포함해 양자 컴퓨팅 기술 개발에 사활을 거는 빅테크의 공통적인 지향점이 이른바 내결함성(fault tolerant) 큐비트의 개발이라고 설명한다.

안정적인 연산과 오류 정정이 양자 컴퓨팅의 실용화에 핵심이라는 얘기다. 양자는 극저온 상태에서만 유지되며, 미세한 환경 변화에도 쉽게 무너진다. 이 때문에 감당하기 힘든 수준의 오류가 발생하는데, 이 부분이 양자 컴퓨팅 기술 개발 과정에 가장 커다란 난제로 꼽힌다.

이를 해결하려면 복잡한 양자 오류 수정이 필요한데 구글을 포함한 관련 업체들은 지금까지 큐비트의 수를 늘리는 방법으로 해법을 모색하고 있다.

문제는 하나의 '실행 큐비트(working qubit) 혹은 '논리 큐비트(logical qubit)'를 만들기 위해 엄청난 수의 '물리 큐비트(physical qubit)', 즉 오류 수정 큐비트(error-correction qubit)가 필요하다는 사실이다.

이는 본질적으로 하나의 논리 큐비트를 구현하기 위해 어마어마하게 많은 물리 큐비트에 정보를 공유해야 한다는 것을 의미한다.

바로 이 엄청난 수의 물리 큐비트를 요구하는 대목이 확장 가능한 양자 컴퓨터의 개발을 방해하는 걸림돌이다.

구글의 윌로우가 오류 수정 측면에서 강점을 지닌 것은 필요한 물리 큐비트의 수를 크게 줄여 난제를 상당 부분 풀어냈다는 의미다.

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