[양자 혁명] '꿈의 기술' 현실로 ② '2조달러 기회' 세상이 바뀐다

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[서울=뉴스핌] 황숙혜 기자 = 공상 과학 영화에서나 봤던 양자 컴퓨팅 기술이 현실화되면 세상이 바뀔 것이라는 막연한 기대가 관련 종목들의 주가를 끌어올리는 모습이다.

업계 전문가들은 실용적인 양자 컴퓨팅이 광범위하게 도입될 경우 의학을 포함한 특정 분야의 발전이 한층 가속화될 것으로 예상한다.

먼저, 의학 혁명이다. 양자 컴퓨팅은 복잡한 분자를 모델링할 수 있어 궁극적으로 화학 및 제약 업체의 소재나 신약 개발 시간을 크게 단축시킬 수 있다.

새로운 약물을 개발할 때 과학자들은 특정 신약 후보 물질의 분자 구조를 검토한 뒤 다른 분자와 어떻게 상호작용 할 것인가를 파악해야 한다.

기존의 컴퓨터는 각 원자가 다른 원자와 복잡한 방식으로 상호 작용하는 현상을 정확히 시뮬레이션 하지 못한다.

전문가들은 양자 컴퓨팅이 인체 내 가장 복잡한 분자까지 모델링 할 수 있을 정도로 강력하다고 믿는다. 새로운 약물과 치료제를 더 빠른 속도로 개발할 가능성이 열릴 것이라는 전망이다. 더 나아가 개인 맞춤형 의약품 개발도 가능해 질 것이라는 기대다.

업계에 따르면 한 가지 신약을 개발하는 데 평균 10년 이상의 시간이 걸리고, 비용도 수 십억 달러가 소요된다.

분자 구조와 상호 작용을 정확히 시뮬레이션 할 수 있는 양자 컴퓨팅을 이용하면 신약 개발 기간을 수 년 이내로 단축하고, 암이나 알츠하이머 같은 난치병 치료제 발견을 앞당길 수 있다고 과학자들은 강조한다.

프랑스 양자 컴퓨팅 업체 파스칼의 연구 현장 [사진=블룸버그]

단백질 접힘의 문제도 양자 컴퓨팅 기술을 이용해 풀어낼 수 있을 것으로 보이는데, 이 역시 의학 분야의 혁신과 맞물려 있다.

단백질이 어떻게 접히는가를 예측하는 일은 생물학의 커다란 난제 가운데 하나다. 무수히 많은 가능한 구조를 동시에 시뮬레이션 할 수 있는 양자 컴퓨팅이 단백질 구조를 정확히 예측, 난치병의 이해와 치료에 커다란 이정표를 세우는 데 든든한 동력이 될 전망이다.

기후 변화에 대한 대응 역시 양자 컴퓨팅 기술을 적용할 때 효과적인 해법을 찾을 수 있다고 전문가들은 주장한다. 보다 효율적인 태양 전지와 더 나은 배터리, 보다 효과적인 탄소 포집 등 다양한 분야의 기술 개발에 양자 기술을 접목할 수 있다는 얘기다.

양자 프로세서 [자료=블룸버그]

챗GPT의 등장으로 세상을 떠들썩하게 한 인공지능(AI) 역시 양자 컴퓨팅 기술을 통해 한층 강력해질 전망이다. 인공지능(AI) 모델을 훨씬 빠르게 훈련시킬 수 있기 때문.

현재 인공지능(AI) 모델을 훈련시키는 데는 엄청난 양의 에너지와 시간이 필요하다. 업계 전문가들은 양자 컴퓨팅이 인공지능(AI) 학습 알고리즘을 획기적으로 가속화하는 한편 지금까지 불가능한 영역에 해당하는 복잡한 패턴 인식을 가능하게 할 것으로 예상한다.

교통과 물류의 최적화도 양자 컴퓨팅 혁신으로 기대할 수 있는 대목이다. 수 백만 건의 경로를 동시에 계산해 최적의 배송 경로를 찾거나 교통 흐름을 개선할 수 있다는 것.

수 백만 대의 차량이 이동하고, 셀 수 없는 변수가 발생하는 대도시의 교통 흐름을 최적화하는 문제는 간단한 일이 아니지만 양자 기술을 활용하면 부분적인 해결책이 아니라 실시간으로 모든 변수를 고려한 최적의 교통 흐름을 계산하는 일도 가능해진다.

도시 교통 뿐 아니라 전세계 공급망도 양자 컴퓨팅 기술을 이용해 최적화할 수 있다. 공급망의 모든 변수를 고려한 완벽한 최적화가 기존의 컴퓨터로는 불가능하지만 양자 기술은 셀 수 없이 많은 변수들을 동시에 고려해 자원 낭비를 최소화하는 한편 효율성을 극대화하는 최적의 공급망 구조를 찾아낼 수 있다는 주장이다.

소재 과학의 발전도 양자 컴퓨팅 혁신의 산물 중 하나로 꼽힌다. 새로운 종류의 초전도체나 더 가벼우면서 강력한 소재, 보다 효율적인 촉매제 등을 양자 기술을 통해 발견할 수 있다는 설명이다.

초정밀 기상 예측이나 우주의 근본 법칙에 대한 연구에도 양자 기술이 한 몫 할 것으로 기대된다. 기존의 기상 예측 시스템은 일주일 이상 앞을 정확히 알아내기 힘들다. 반면 양자 컴퓨팅은 복잡한 기상 시스템의 카오스적 특성을 보다 정확히 모델링 할 수 있기 때문에 몇 주 혹은 몇 달 앞의 기상까지 예측해 자연재해에 보다 적극적으로 대비할 수 있게 할 전망이다.

석학들은 양자 역학과 일반 상대성 이론을 통합하는 이른바 '모든 것의 이론'을 발견하기 위한 복잡한 계산에 양자 컴퓨팅이 도움을 줄 수 있다고 말한다.

이를 통해 블랙홀이나 초기 우주, 암흑 물질과 같은 우주의 근본적 수수께끼를 풀어내는 데 한 걸음 더 가까이 접근하게 될 것이라는 관측이다.

금융 포트폴리오에도 양자 컴퓨팅 기술이 접목될 전망이다. 거시 및 미시 경제 변수부터 지정학적 요인까지 수많은 변수가 작용하는 금융시장에서 최적의 투자 포트폴리오를 짜는 일이 기존의 컴퓨터로는 근사치 계산 수준이지만 양자 컴퓨팅은 모든 가능한 조합을 동시에 평가해 자산 배분부터 리스크 관리까지 최적의 해법을 찾아줄 것으로 기대된다.

이 밖에 모빌리티와 제조업 자동화 등 다양한 분야가 양자 컴퓨팅 기술의 수혜를 얻을 것으로 예상된다.

이론적으로 강력한 이점을 가진 양자 컴퓨팅 기술이지만 리스크 요인과 걸림돌이 없지 않다. 과학자들이 가장 먼저 지적하는 부분은 큐비트의 변동성이다.

0과 1의 상태를 유지하는 전통적인 컴퓨터의 비트와 달리 큐비트는 중첩되고 얽히는 특성을 지니고 있어 하나의 큐비트가 변할 때 해당 데이터 입력값 역시 바뀌거나 사라질 수 있다.

이 경우 결과물의 정확성과 신뢰가 떨어진다. 99.99% 이상의 정확성과 신뢰도를 실현하기 위한 해법으로 이른바 내결함성 양자 컴퓨팅(fault tolerant quantum computing)이 거론되지만 거대한 규모로 이를 실행하는 일이 간단치 않다고 전문가들은 지적한다.

또 다른 걸림돌로, 양자 컴퓨터가 의미있는 돌파구를 제공하기 위해 필요한 규모로 작동하려면 수 백만 개의 큐비트가 연결돼야 한다는 점이 지목된다. 현존하는 몇 안 되는 양자 컴퓨터는 아직 이 단계에 도달하지 못한 실정이다.

기술 개발이 완벽한 수준에 이를 때 넘어야 할 다음 산은 제조다. 양자 컴퓨터를 대량으로 생산하려면 기존의 컴퓨터 생산 라인과는 전혀 인프라와 기술이 필요하기 때문.

상당히 도전적인 영역이지만 빅테크부터 중소 업체까지 기술 개발에 진전을 보이고 있고, 맥킨지는 2035년 전세계 양자 컴퓨팅 시장 규모가 2조달러에 이르는 시나리오를 제시했다.

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