[양자 혁명] ①미중 기술경쟁 新격전지, 중국 선점 전략 본격화

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[서울=뉴스핌] 배상희 기자 = 전세계가 인공지능(AI) 다음으로 주목하고 있는 고성장 혁신기술 영역인 '양자컴퓨터(양자컴퓨팅)'의 거대한 성장 가능성에 전세계 시장의 이목이 쏠리고 있다.

양자 기술을 둘러싼 다양한 산업 영역 중에서도 양자컴퓨터는 핵심적인 고성장 영역으로, 최근 미국의 빅테크(대형 IT기업)들이 잇달아 신모델을 공개하며 본격적으로 시장 선점을 서두르는 모습에서 거대한 성장여력을 가늠할 수 있다.

양자컴퓨팅 산업은 향후 미국과 중국의 치열한 기술패권 전쟁이 치러질 최대 격전지가 될 전망이다. AI 영역에서 글로벌 선두를 달려온 미국을 몇 년 새 무서운 속도로 따라잡은 중국은 양자컴퓨팅 산업에서도 미국과의 격차를 빠르게 좁혀가고 있다. 그 배후에는 중국 당국의 적극적인 정책지원과 아낌없는 자금 투자 행보가 자리잡고 있다.

금주 중국 최대 연례 정치 행사인 양회(兩會, 전국인민대표대회 및 전국인민정치협상회의)에서 '기술혁신'은 2025년 정책 과제로 다시금 강조될 전망이다. 올해부터 더욱 치열해질 글로벌 양자컴퓨터 산업 경쟁국면에서 주도권을 잡기 위해 중국이 어떻게 대비를 하고 있으며, 중국 기업의 기술경쟁력이 어느 정도 수준까지 진화했는지를 점검해보고자 한다.

[사진 = 본원양자 공식 홈페이지] 2024년 1월 6일 본원양자(本源量子 ·Origin Quantum)는 차세대 초전도 양자컴퓨터 본원오공(本源悟空)을 공개했다.

◆ '양자컴퓨터 상용화' 관건이 될 '2가지'

양자컴퓨터는 '중첩'과 '얽힘'이라는 양자 역학의 원리를 이용해 개발한 컴퓨터다.

AI 슈퍼컴퓨터의 등장으로 방대한 양의 데이터 처리가 가능해지긴 했으나, AI 기술 응용이 가속화되면서 기존 컴퓨터의 성능적 한계가 드러나고 있다. 이 때문에 슈퍼컴퓨터도 접근하기 어려운 고차원적 연산과 복잡한 최적화 문제 해결에 있어 강점을 지니는 양자컴퓨터와의 호환 필요성은 나날이 커지고 있다.

현재 우리가 사용하는 컴퓨터들은 0 또는 1 중 하나의 값만 가질 수 있는 비트(Bit)라는 최소 정보 단위에 기반해 연산을 처리해 왔다. 반면, 양자컴퓨터는 0과 1 값을 동시에 가질 수 있는 큐비트(Qubit)를 기본 정보 단위로 사용한다.

기존 컴퓨터의 경우 비트를 저장하고 처리하는 트랜지스터(Transistor, 컴퓨터의 기본 연산 장치로 전자 신호를 증폭하거나 스위칭하는 역할을 함)를 통해 0(꺼짐)과 1(켜짐)의 두 가지 옵션 사이를 반복적으로 변환해가며 순차적으로 문제를 해결한다. 반면, 큐비트는 0과 1이 중첩된 상태로서 연산 요청이 들어오면 여러 문제를 동시에 처리하는 것이 가능하다. 그만큼 큐비트를 통해 처리하는 양자컴퓨팅 기술의 연산 처리 속도가 빠르고 효율적이라고 말할 수 있으며, 큐비트 수가 높을수록 성능이 더욱 뛰어나다.

다만, 양자컴퓨팅 기술은 아직까지는 연구개발 단계로 일상생활에 통합되기까지는 여전히 넘어서야 할 많은 과제가 남아있다.

양자컴퓨터의 최소 정보 단위인 큐비트는 매우 불안정한 특성을 지니고 있어 완벽히 통제된 환경 구현이 필수적이다. 이에 양자컴퓨터의 성능을 극대화하기 위해서는 양자 상태의 큐비트를 정밀하게 제어할 수 있는 양자오류정정(Quantum Error Correction, QEC) 등의 기술이 반드시 필요하다.

[사진 = 바이두] 지난해 4월 25일 '중국과학원(CAS) 양자정보·양자과학기술혁신연구원(QuantumCAS)'은 504큐비트로 구성된 초전도 양자 컴퓨팅 칩 '샤오훙(骁鸿)'을 공개했다.

양자컴퓨터 기술은 큐비트 구현 방식에 따라 크게 △초전도 △이온트랩 △광자 △중성원자 반도체로 분류된다.

현재 상용화 가능성이 가장 높은 기술은 초전도와 이온트랩이다. 미국의 IBM, 구글 등을 비롯해 중국 대표 양자컴퓨팅 벤처기업 본원양자(本源量子·Origin Quantum)도 해당 기술을 채택해 양자컴퓨터를 개발 중이다.

초전도 양자컴퓨터는 물질의 전기 저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용해 큐비트를 양자 상태로 만든다. 초전도 현상을 구현하기 위해 전자가 저항 없이 이동할 수 있는 극저온 환경을 조성해야 하는 만큼, 냉각설비 개발과 운용에 엄청난 비용이 소요되는 단점이 있다. 반면, 기존 반도체 공정으로도 제작이 가능하고 큐비트 수를 높이기에도 용이하다는 장점이 있다.

이온트랩 양자컴퓨터는 전기장을 이용해 이온을 포획하고 레이저로 상태를 조작해 양자 큐비트를 생성한다. 큐비트 제어가 용이하고 높은 정밀도로 오류를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 다만, 큐비트 수를 늘리는데 있어서는 한계가 있다.

다만, 두 기술 모두 엄청난 개발 및 운용 비용을 수반한다는 점에서 한계성이 드러난다. 양자컴퓨터의 성능을 높이려면 큐비트를 늘려야 하는데 그만큼 비용이 높아질 수밖에 없는 것.

결론적으로 양자컴퓨터 상용화 시대의 도래 시기가 어느 정도 앞당겨질 수 있을 지는 양자 상태를 구현할 수 있는 물리적 시스템, 양자 정밀 제어 기술 등의 발전 속도가 관건이 될 전망이다. 이는 해당 분야에서 기술적 돌파구를 찾는 것은 양자컴퓨터 시장 주도권 확보의 열쇠가 될 수 있다는 뜻으로도 해석해볼 수 있다.  

<[양자 혁명] ②미중 기술경쟁 新격전지, 중국 선점 전략 본격화>로 이어짐. 

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