젠슨황, 두 달만에 무릎 꿇렸다…“치매도 고친다” 양자컴 진격 [양자 충돌①]

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모든 문제를 푸는 미래컴퓨터

넥스트 AI, 양자컴이 온다 [양자 충돌①]

“양자컴퓨팅은 멋진 기술입니다.”

불과 두 달 전 만해도 “양자컴퓨터 상용화? 20년은 더 걸릴걸?”이라던 엔비디아 수장, 젠슨 황 CEO(최고경영자)가 지난달 20일(현지시간) GTC 2025에서 태도를 180도 바꿨다. ‘퀀텀(quantum·양자) 데이’를 처음으로 열더니, 양자 생태계 플레이어들을 한자리에 불러 사과했다. GPU(그래픽처리장치)의 제왕이 왜 그랬을까?

뛰는 인공지능(AI) 위에 나는 양자가 있다. 양자컴퓨터, 양자통신, 양자암호…양자라는 단어가 붙기만 해도 주가는 로켓을 탄다. 그중에서도 단연 양자의 꽃은 양자컴퓨터. QPU(양자처리장치)가 GPU의 자리를 넘보고 있고, 클라우드 빅테크들은 ‘양자 클라우드’까지 내놨다. 연세대에 있다는 IBM의 양자컴퓨터가 무엇인지, 아이온큐, 리게티 같은 양자기업 주식이 왜 요즘 그렇게 뜨거운지, 그들의 주식에 내 돈 넣기 전에 알아야 하지 않을까. 이온트랩, 초전도, 중성원자와 같은 물리학의 세계에도 잠시 다녀와야 한다. 읽기 시작한 이상, 이제 당신도 이미 ‘얽혔다’.

1. 비트 대신 ‘큐비트’ 주세요!

양자컴퓨터(양자컴)란 양자역학을 활용해 연산 속도를 획기적으로 끌어올린 신개념 컴퓨터다.

난제(難題)의 천재: 양자역학 원리에 기반한 양자컴의 계산 실력은 기존 고전컴퓨터와 차원이 다르다. 고전컴퓨터로 1초에 한 개씩 풀 수 있는 변수가 있다고 가정해보면, 고전컴퓨터는 2²⁵⁶개 변수를 풀기 위해 2²⁵⁶초(우주 나이보다 긴 시간)를 필요로 한다. 만약 256개 큐비트를 가진 양자컴퓨터라면? 1초 만에 답을 내놓는다. 고전컴퓨터가 문제를 하나씩 빠르게 푼다면, 양자컴은 문제를 두 개, 세 개, 수백 개(병렬)씩 순식간에 풀어낸다. 그렇다면 양자컴이 무조건 우세할 거 같지만, 아직은 아니다. 양자컴은 숱한 오류로 일상적 문제는 종종 틀린다. 하지만 특정 문제에선 고전컴보다 나은 기량을 보인다.

양자컴 춘추전국시대: 양자컴 시장에 ‘절대 강자’가 없다는 점은 경쟁을 더 치열하게 만드는 요인. 현시점에 양자컴 구현 방식 중 확고한 우위를 점한 표준 기술은 아직 없다. 기업들은 초전도, 이온 트랩, 중성원자 방식 등을 활용해 기술 개발에 나서고 있다. 초전도 방식은 전자회로를 극저온으로 냉각해 전류가 저항 없이 흐르도록 하고, 이 회로에 양자 상태를 저장한다. 연산 속도가 빠르고 기존 반도체 공정과 유사하다는 장점이 있지만, 제어가 까다롭다. 이온트랩 방식은 전기를 띠는 이온을 공중에 띄우고, 레이저로 정밀하게 제어하는 방식이다. 안정성은 뛰어나지만 연산 속도는 느린 편이다. 중성원자 방식은 전기를 띠지 않는 원자를 레이저로 배열해 큐비트로 활용한다. 높은 확장성이 강점이지만, 아직 정밀 제어 기술이 부족하다. 딥테크 분석 전문가인 김태영 맥킨지앤컴퍼니 부파트너는 “현재로선 특정 방식이 우위에 있다고 보긴 어렵다”며 “아직은 기술 간 경쟁이 진행 중”이라고 말했다.

💡이것만 알면 ‘양자 좀 아는데?’ 소리 듣는다

◦ 양자컴 vs 고전컴: 고전컴퓨터는 모든 정보를 0 또는 1이라는 비트 단위로 처리하지만, 양자컴은 큐비트 단위를 사용해 정보를 0과 1이 동시에 존재하는 ‘중첩’ 상태로 표현한다. 이 큐비트는 함께 작동할 때 ‘얽힘’ 현상이 발생해 복잡한 계산을 더 빠르고 정밀하게 수행할 수 있다.

◦ 양자컴퓨터 or 양자컴퓨팅: 양자컴퓨터는 컴퓨터 기기, 양자컴퓨팅은 컴퓨터를 활용한 프로그래밍과 알고리즘을 말한다. 구글의 시카모어(Sycamore), IBM의 퀀텀 시스템 원(Q System One)은 양자컴의 예로, 쇼어 알고리즘(소인수분해 문제 해결), 그로버 알고리즘(검색 문제 최적화) 등은 양자컴퓨팅의 일부다.

◦ 큐비트(Qubit): 양자컴에서 가장 기본적인 정보 단위. 큐비트는 전자·광자·원자핵과 같은 아주 작은 양자 입자를 이용해 만든다. 종합하면, 큐비트는 ‘정보 단위’면서도 실제 존재하는 ‘물리량’이다. ‘킬로그램(kg)’ 등 단위와 개념이 다른 이유.

◦ 중첩: 중첩이란 0 또는(or) 1이 아니라, 0 그리고(and) 1이 동시에 존재하는 상태. 한 번에 ‘하나’가 아니라 ‘둘’을 처리할 수 있다고 생각하면 쉽다. 중첩 덕분에 여러 계산을 동시에 수행할 수 있는 셈.

◦ 얽힘: 얽힘이란 A의 상태가 결정되면, B의 상태도 ‘동시에’ 결정된다는 뜻. 쉽게 예를 들면, A와 B가 결혼하는 사이라고 치자. B의 결혼 상태를 몰라도 A의 결혼 여부를 알면 B의 결혼 여부를 알게 되는 원리다. 말 그대로 ‘얽힌 것’. 얽힘이 왜 중요할까. 2개의 얽힌 큐비트는 4가지 상태(00, 01, 10, 11)를 동시에 표현한다. ‘병렬식 정보처리’라고 한다. 양자컴의 정보 처리 속도가 고전컴보다 기하급수적으로 빠른 이유로 꼽힌다.

◦ 양자우월성: 양자우월성(Quantum Supremacy)은 양자컴이 고전컴보다 현실적인 문제를 더 빠르게 해결할 수 있을 때를 말한다. 만약 양자컴이 고전컴으로는 수천 년 걸릴 계산을 몇 분 만에 끝낼 수 있으면 양자우월성 확보.

◦ 양자 오류: 중첩과 얽힘이 기본인 양자는 주변 환경의 미세한 변화(온도·전자기장·진동)에도 쉽게 균형을 잃는다. 이런 양자 상태의 취약성 때문에 생기는 오류를 일컫는다. 메모리 반도체로 따지면 아직 트랜지스터 몇 개 붙인 시제품에 불과한 양자컴. 그런데, 양자 오류로 골머리를 앓는다. 성능을 결정하는 큐비트 수를 늘리면서도, 양자 오류를 잡는 기술이 얼마나 발전하는지가 상용화의 핵심.