양자 컴퓨팅 혁명은 어떻게 세계 경제를 변화시키고 국가안보를 뒤흔들까

2025.04.25 14:43

Foreign Affairs

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편집자주

최근 가장 각광받는 과학기술은 물론 인공지능(AI)입니다. 한국에서도 각종 공약과 정책 등으로 AI 산업을 육성하겠다는 이야기가 나옵니다만 이미 선두 그룹과 격차가 너무 벌어진 상황에서 사후 약방문은 아닌가 하는 생각이 들 때가 있습니다. 당장 '핫'한 분야보다는 보다 긴 안목으로 미래의 유망 기술을 육성하는 것이 국가 차원에서 보다 적절한 역할은 아닐까요. 양자 컴퓨팅은 그런 기술 중의 하나입니다.

한때 이론 물리학의 영역에 머물렀던 양자 컴퓨팅은 이제 양자역학의 원리를 이용해 기존 컴퓨터로는 풀 수 없었던 난제들을 해결할 가능성을 보여주며 현실로 다가오고 있습니다. 비록 아직 초기 단계이지만, 이 기술이 향후 수십 년간 국가 안보와 세계 경제 지형을 근본적으로 바꿀 수 있다는 점은 분명해 보입니다.

구글의 양자 컴퓨팅 부문 핵심 인사들이 포린어페어스 2025년 1·2월호에 공동기고한 아래의 글은 양자 컴퓨팅 기술의 현주소와 미래 전망, 향후 과제 등을 잘 설명하고 있어 한국의 정책 입안자, 기업가, 연구자, 그리고 미래 기술에 관심 있는 모든 독자들에게 좋은 입문 자료가 될 것입니다. 특히 그간 양자 컴퓨팅에 대한 논의가 주로 '암호 해독'에만 초점을 맞춰 온 데 반해, 이 글은 에너지부터 신약 개발, 신소재, 금융까지 다양한 분야에 걸치는 양자 컴퓨팅의 잠재력을 조명하고 있어 짧고 단편적인 기사로는 충족할 수 없었던 독자 여러분의 호기심을 충족시킬 수 있을 것입니다.

반도체, AI 등 첨단 산업에서 이미 세계적인 경쟁력을 갖춘 한국에게 양자 컴퓨팅은 새로운 기회인 동시에 심각한 도전이 될 수 있습니다. 양자 컴퓨팅 기술 개발의 흐름과 관련 공급망의 형성을 주의 깊게 살피는 데 한국 기술 산업의 미래가 걸려 있다고 해도 과언이 아닐 것입니다.

인공지능의 급속한 발전이 대중의 관심과 비판적 검토를 받는 지난 몇 년 동안, 또 다른 중요한 기술이 대체로 대중의 시야에서 벗어나 발전해 왔다. 한때 추상적 이론의 영역에 국한되었던 양자 컴퓨팅은 양자역학에 기반한 연산을 활용하여 이전에는 해결 불가능하다고 여겨졌던 문제를 해결하고자 한다. 아직 초기 단계에 있지만 양자 컴퓨팅이 앞으로 수십 년 동안 국가 안보와 세계 경제에 심오한 영향을 미칠 수 있음은 이미 분명하다.

2010년대 후반부터 미국과 다른 많은 선진국들은 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센싱¹을 포괄하는 분야인 양자 정보과학 기술의 주도권 경쟁에 점점 더 깊이 관여하게 됐다. 지난 10년간 20개국 정부는 전 세계적으로 총 400억 달러 이상의 양자 개발 투자를 발표했으며 중국만 해도 5년간 153억 달러를 투자하기로 했다. 2016년 중국 정부는 양자 기술 개발을 국가적 우선 과제로 지정하고, 첨단 생산 허브를 조성했다. 한편 미국은 2018년에 양자 정보 및 그 응용 분야에서 자국의 기술 및 과학적 주도권을 유지하는 것을 목표로 하는 법안인 국가 양자 이니셔티브National Quantum Initiative를 제정했다. 미국 정부는 37억 달러의 비기밀 자금 지원과 더불어 국방 연구 개발을 위한 추가 자금 지원을 발표했다. 정부 주도 계획 외에도 민간 부문과 학계에서 다수의 연구 개발 노력이 진행 중이다.

이러한 투자는 여전히 미국과 국제적인 AI 자금 지원에 비해 미미하지만 양자 기술의 부상은 이미 국제 정책을 형성하기 시작했다. 2019년, 미국은 일본과 양자 협력에 관한 성명을 발표했으며 미국 정부는 2023년 이를 강화했다. 그리고 2024년, 미국 정부는 새로운 기술의 발전과 관리를 위한 전략을 조율하기 위해 '양자개발그룹Quantum Development Group'이라는 다자간 이니셔티브를 설립했다. 미국은 또한 호주, 영국, 미국 간의 3자 방위 협정인 AUKUS, 호주, 인도, 일본, 미국 간의 4자 안보 대화인 쿼드Quad, 그리고 미국-EU 무역 기술 위원회를 포함한 다양한 경제 및 안보 포럼 내에서 양자 문제를 논의해 왔다. 미국 대통령 선거가 끝난 후인 작년 11월 신미국안보센터(CNAS)의 한 분석가는 미국에서 이 기술에 대한 우려가 커지고 있음을 강조하며 차기 행정부가 "미국의 양자 경쟁력을 회복하기 위해 첫 100일 동안 신속하게 행동해야 한다"고 주장했다.

지금까지 양자 기술의 등장은 주로 국가안보 문제로 인식되어 왔다. 1990년대부터 연구자들은 강력한 양자 컴퓨터가 갖는 가장 큰 위협 중 하나가 오늘날 첨단 통신 시스템과 디지털 네트워크에 사용되는 암호체계를 침투할 수 있는 코드 해독 도구로서의 잠재력이라는 것을 인식해 왔다. 이러한 우려는 미국 정부가 양자 내성 암호체계의 채택을 개발하고 옹호하며, 양자 기술 및 관련 제품에 대한 수출 통제를 강화하고, 산업계, 학계 및 지방 정부와 행동 지향적 파트너십을 구축하도록 촉진했다.

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그러나 암호 해독에 대한 초점은 양자 기술의 다른 중요한 응용 분야를 간과하게 만들었다. 사실, 양자 기계가 고급 암호화 시스템을 해독할 수 있게 되기 전에—이는 양자 기술이 개발된 후에도 엄청난 계산 능력이 필요하다—에너지와 제약을 포함한 경제의 많은 부문에서 변혁적인 효과를 가질 수 있다. 효과적으로 활용된다면 양자 기술은 혁신, 과학적 발견, 경제 성장 및 기회를 촉진할 수 있다. 인간에게 미칠 수 있는 영향 측면에서, 양자 기계가 가져올 수 있는 돌파구는 현재 AI에서 나올 것으로 예상되는 것들과 견줄 만하다. 이러한 이유 때문에, 이 기술이 개방된 사회에서 개발되고 그것이 선의의 목적으로 사용되도록 보장하기 위한 명확한 안전장치가 마련되는 것이 특히 중요하다.

양자 경쟁에서 승리하는 것은 쉽지 않을 것이다. 중국은 이미 양자 통신과 같은 일부 영역에서 선두를 차지했으며 앞으로 몇 년 동안 미국의 경쟁력을 유지하는 데 미국의 혁신과 리더십의 집중이 매우 중요할 것이다. 미국과 국제 파트너들은 양자 프로젝트를 결실로 이끌기 위해 훨씬 더 많은 자원을 투입해야 할 것이며, 이러한 프로젝트를 지원하기 위한 양자 산업과 강력한 양자 공급망을 개발해야 할 것이다. 미국과 동맹국들이 이러한 노력을 중심적인 전략적 목표와 정책 결정의 우선순위로 삼지 못한다면, 외교적 영향력, 군사력, 그리고 강력한 신기술에 대한 감독 능력을 잃을 수 있다. 또한 경제적, 사회적 진보를 위한 새로운 길을 개척할 기회를 놓칠 수도 있다.

에브리웨어 올 앳 원스

양자 컴퓨터의 개념은 1981년 이론 물리학자이자 노벨상 수상자인 리처드 파인만에 의해 처음 제시됐다. 파인만은 양자역학의 여명기에 성장했는데 이 시기에 과학자들은 원자, 전자, 빛, 그리고 다른 나노 이하 크기의 물체들—우주의 모든 것을 구성하는 기본 요소들—이 일상생활의 물체들과는 근본적으로 다른 규칙을 따른다는 것을 인식하기 시작했다. 예를 들어 고전역학의 직관적인 규칙을 따르는 공과 달리, 전자는 입자와 파동으로 동시에 행동하며 그 위치는 정확하게 정의할 수 없다. 파인만의 통찰은 양자역학 세계와 우주 자체의 일반적인 작동 방식을 진정으로 이해하기 위해서는 같은 법칙에 따라 작동하는 컴퓨터를 만들 필요가 있다는 것이었다. "자연은 고전역학으로 돌아가지 않는다구요." 그가 말했다. "만약 자연의 시뮬레이션을 만들고 싶다면 양자역학으로 만들어야죠."

파인만의 통찰은 선견지명이었다. 그 이후 40년 넘는 기간동안 '고전적' 설계를 따르는 컴퓨터들은 지구를 완전히 변형시켰다. 오늘날의 주머니에 들어가는 휴대폰은 1980년대의 거대한 데스크톱 개인용 컴퓨터보다 백만 배 더 강력하다. 무어의 법칙—컴퓨터 칩의 트랜지스터 수가 2년마다 두 배로 증가할 것이라는 예측—은 수많은 종말 예측에도 불구하고 반도체 산업에서 전반적으로 계속해서 유지되고 있다. 그리고 오늘날 최고의 슈퍼컴퓨터는 1초당 1퀸틸리언—10의18승—연산을 처리할 수 있다. 그러나 이 혁명이 성숙해감에 따라, 어떤 계산은 현존 최고의 고전적 컴퓨터로도 해결할 수 없고 앞으로도 그럴 것이라는 점이 점점 더 분명해지고 있다.

이는 기존의 컴퓨터 기술이 그들이 작동하는 기본 전제에 의해 제한되기 때문이다. 주판, 개인용 노트북, 또는 국가안보 시설의 고성능 머신 클러스터와 같은 모든 형태의 고전적 컴퓨팅은 '불 논리Boolean logic'를 따른다. 이 시스템에서 정보의 기본 단위는 비트이며 이는 관습적으로 0 또는 1로 지칭되는 두 가지 상태 중 하나를 가정할 수 있는 객체다. 이 시스템은 많은 종류의 계산에 매우 효율적임이 입증되었지만 천 자리 숫자를 인수분해하거나, 수백 개의 원자로 이루어진 분자의 반응 동역학을 계산하거나, 여러 분야에서 흔한 특정 유형의 최적화 문제를 해결하는 것 같이 복잡성이 매우 높은 계산은 수행할 수 없다.

이와 달리 양자역학을 활용하는 양자 컴퓨팅은 그런 제약을 갖지 않는다. 양자 물리학의 한 교훈—충격적이고 반직관적인 교훈—은 입자들이 여러 상태의 동시 조합으로 존재할 수 있다는 것이다. 그리하여 이진법 연산을 하는 비트 대신 양자 컴퓨팅은 양자 비트(큐비트)를 사용하며, 이는 상태 0과 1에 동시에 있을 수 있는 시스템이다. 중첩superposition이라고 알려진 이 양면성은 엄청난 계산상의 이점을 제공하며 더 많은 큐비트가 함께 작동할 때 증가한다. 고전적 컴퓨터는 하나의 상태를 다른 상태 다음에 순차적으로 처리해야 하는 반면, 양자 컴퓨터는 병렬로 많은 가능성을 탐색할 수 있다. 미로를 통과하는 올바른 경로를 찾으려는 작업을 생각해보자. 고전적 컴퓨터는 각 경로를 하나씩 시도해야 한다. 양자 컴퓨터는 여러 경로를 동시에 탐색할 수 있어, 특정 작업에서는 고전 컴퓨터보다 수백 배 더 빠르다. 사람들이 흔히 단순화해서 알고 있는 것과 달리, 양자 컴퓨터는 단순히 병렬로 작동하는 거대한 고전적 컴퓨터 집합이 아니라는 점에 유의해야 한다. 양자 프로세서를 통해 탐색할 수 있는 지수적exponential으로 많은 가능한 답이 있지만, 결국 하나의 조합만 측정될 수 있다. 따라서 양자 컴퓨터에서 해결책을 도출하려면 올바른 답을 증폭시키는 영리한 프로그래밍이 필요하다.

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주요 과제는 의미 있는 문제에 대해 일관된 결과를 생산할 수 있을 만큼 크고 안정적인 양자 프로세서를 구축하는 방법을 알아내는 것이다. 이러한 프로세서는 환경에 매우 민감한 경향이 있으며 온도 변화, 진동 및 기타 방해로 인해 쉽게 영향을 받을 수 있어 시스템에 다양한 오류를 초래할 수 있다. 계산의 충실도는 큐비트가 일관성을 유지하는 데 의존하기 때문에, 연구자들은 새로운 설계, 칩 제조 공정, 그리고 큐비트 오류를 수정하는 기술을 포함하여 큐비트 품질을 향상시키는 방법에 많은 투자를 하고 있다.

현재 큐비트를 설계하는 접근 방식에는 각각 고유한 장점과 단점을 가진 다양한 방법이 있다. 원칙적으로 모든 양자역학 시스템—원자, 분자, 이온, 광자—은 큐비트로 만들어질 수 있다. 실제로는 제조 가능성, 제어 가능성, 성능 및 계산 속도와 같은 요소들이 가장 적합한 경로를 결정한다. 오늘날에는 초전도체, 중성 원자, 광자, 이온 트랩 큐비트가 주로 사용된다. 아직 초기 단계라 어떤 것이 성공적일지는 불분명하다. 프로세서를 구축하는 것 외에도 어떻게 큐비트를 패키징하고, 그들의 신호를 전송하며, 애플리케이션을 실행할 것인지도 과제다. 연구자들은 절대 영도에 수천분의1도 이내로 가까운 극저온 냉장고를 사용하여 초전도체 큐비트 작동을 위한 초저온, 어둡고 조용한 환경을 제공해야 한다. 이러한 고도로 전문화된 구성 요소에 대한 전문 지식은 많은 국가의 다양한 출처에서 온다. 오늘날, 아마존, 구글, IBM, 퀘라QuEra를 포함한 다양한 "풀스택" 양자 컴퓨팅 회사들이 구성 요소를 최종 제품으로 통합하려고 노력하고 있다. 요약하자면 오늘날의 양자 컴퓨팅은 수많은 도전과 미지의 영역에 직면해 있으며, 지속적인 개발을 위해서는 다양한 공학적 혁신이 필요할 것이다. 분명한 것은 어떤 접근 방식이든 성공하려면 신뢰성, 확장성, 비용 효율성을 갖추어야 한다는 점이다.

새로운 응답 기계

전체 규모의 양자 컴퓨터에 도달하기 위한 경쟁은 여러 동기에 의해 추진된다. 가장 근본적으로, 양자 컴퓨팅은 이전에 해결 불가능하다고 생각되었던 문제들에 대한 답을 제공할 것을 약속한다. 세계 최고의 고전적 컴퓨터가 해독하는 데 영겁의 시간이 걸릴 퍼즐들을 해결할 수 있다. 이러한 종류의 가장 잘 알려진 문제는 정수 인수분해, 즉 숫자를 여러 작은 숫자의 곱으로 분해하는 것이다. 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터도 매우 큰 숫자는 인수분해하지 못한다. 이는 인수분해에 기반한 최고급 형태의 암호화가 현재로서는 깨질 수 없다는 뜻이다. 그러나 양자 컴퓨터는 이를 바꿀 수 있다.

1994년, 컴퓨터 과학자 피터 쇼어Peter Shor는 양자 컴퓨터가 매우 큰 숫자를 인수분해할 수 있음을 증명했다. 당시에는 그러한 컴퓨터가 철저히 이론의 영역에 머물러 있었지만, 기술이 발전하면서 쇼어의 통찰력은 양자 프로세서가 언젠가 최고급의 암호화 체계조차 깰 수 있으리라는 우려를 불러일으켰다. 오늘날, 국가안보 전문가들은 적대적인 국가 및 민간 행위자들이 이미 새로운 기술을 예상하고 암호화된 정보를 수집하고 있다고 가정한다. 이는 "지금 저장하고, 나중에 해독하는" 공격으로 알려진 접근법이다.

그러나 암호해독은 양자 컴퓨터의 가능한 응용 분야 중 하나일 뿐이며 실현되기까지 10년 이상 걸릴 가능성이 높다. 파인만이 직관적으로 알았듯이, 양자 기반 컴퓨팅의 더 명백한 용도는 양자 시뮬레이션—전자, 분자 및 물질과 같은 양자 시스템의 정확한 계산을 할 수 있는 능력—과 관련이 있으며 이러한 응용 프로그램은 더 빨리 사용 가능해질 수 있다. 양자 프로세서는 이미 물리학의 여러 고도로 전문화된 영역—준입자 공학, 다체 동역학, 스핀 전송, 금속 전송, 시간 결정체, 웜홀 동역학 및 자화magnetization 등—에서 발견에 기여하고 있다. 완전한 규모와 능력을 갖춘 양자 컴퓨터를 사용하면 가능성은 놀랍다. 농업용 비료를 고려해보자. 현재 질소 고정—질소 가스에서 암모니아를 생산하는 데 필요한 화학적 과정—은 엄청나게 에너지 집약적이며 세계 연간 에너지 예산의 최대 2%를 차지한다. 이는 이 반응에 사용되는 산업용 촉매가 매우 비효율적이기 때문이다. 사실 자연적으로 발생하는 생물학적 질소 고정을 위한 촉매인 철-몰리브덴 보조인자FeMoco 분자는 훨씬 더 효율적이지만, 아직 공업적 규모의 양으로 화학적으로 합성하거나 분리할 수 없으며, 그 작용 메커니즘은 기존 컴퓨팅 기술으로 설명하기에는 너무 어려운 것으로 입증되었다. 그러나 양자 컴퓨터를 사용하면 연구자들이 철-몰리브덴 보조인자의 반응 메커니즘을 배우는 데 필요한 어려운 계산을 수행할 수 있어, 막대한 양의 에너지를 절약할 수 있는 철-몰리브덴 보조인자에서 영감을 받은 촉매를 설계할 수 있다.

또는 약물 분자가 체내 분자와 효과적으로 상호 작용해야 하는 의약품을 고려해보자. 약물 대사와 따라서 환자가 약물에 어떻게 반응할지를 크게 책임지는 효소 계열인 사이토크롬cytochrome P450의 행동을 시뮬레이션하기 위해, 고전적 컴퓨터는 막대한 양의 컴퓨팅 파워를 필요로 할 것이다. 양자 컴퓨터를 사용하면 이것을 훨씬 더 효율적으로 수행할 수 있어 중요한 질병 퇴치 혁신으로 이어질 수 있다. 화학 및 재료 산업에서 양자 컴퓨팅은 전기자동차를 위한 더 효율적인 배터리와 선박을 위한 비부식성 요소의 설계에 정보를 제공할 수 있다. 양자 컴퓨터는 또한 핵융합 반응로를 지속 가능한 에너지원으로 전환하는 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있다.

또 다른 유망한 응용 분야는 머신러닝 분야이다. 양자 데이터—양자 시스템의 행동을 설명하는 전자적, 자기적 및 기타 정보—에 대해 훈련하는 고전적 컴퓨터는 엄청난 양의 데이터와 처리 시간을 필요로 한다. 반면에 양자 데이터에 대해 훈련하는 양자 컴퓨터는 작업을 마스터하는 데 필요한 예제가 훨씬 적다. 양자 컴퓨터는 이러한 높은 효율성으로 무수한 화학 물질과 재료의 행동을 배우고 예측하는 데 사용될 수 있다. 현재로서는 양자 컴퓨터가 고전적 데이터—오늘날의 AI 시스템을 뒷받침하는 텍스트, 오디오 및 비디오 데이터와 같은—를 학습하는 데 더 우월할지는 불분명하다. 그러나 이미 양자 컴퓨팅은 고전적 AI의 발전으로부터 혜택을 받고 있다. 연구자들은 대규모 언어 모델, 트랜스포머 모델 및 기타 AI 아키텍처를 사용하여 양자 장치를 설계하고, 소프트웨어를 개발하며, 양자 오류 수정을 개선하는 데 도움을 주고 있다.

양자 컴퓨터가 그 자체로 양자역학적인 응용 분야에서 우월하다는 건 당연하다. 그보다 덜 명백한 것 또한 입증됐다. 양자 컴퓨터가 인수분해와 같은 일부 종류의 비양자역학적 문제를 해결하는 데 극적인 이득을 제공할 수 있다는 것이다. 실제로 연구자들과 수학자들은 양자 컴퓨터가 고전적 컴퓨터보다 훨씬 더 빠르게 문제를 해결할 수 있게 하는 알고리즘 60개를 발견했다. 이러한 속도 향상 중 일부는 위의 예에서 보여진 대로 규모 측면에서 지수적이다. 다른 것들은 덜 극적이지만 여전히 고전적 컴퓨터에 비해 상당한 우위를 나타낸다.

집중적인 연구가 이뤄지고 있는 영역 중 하나는 최적화에 대한 연구이다. 최적화는 주어진 변수 집합에서 가장 효율적인 해결책을 찾는 것을 목표로 하며 금융 계획자, 해운 물류 관리자 및 스포츠 트레이너 등 많은 사람들이 사용한다. 최적화는 또한 AI 시스템의 중심이다. 최적화 계산이 세계 경제에 얼마나 중요한지를 고려하면, 그것들의 일부만이라도 훨씬 더 빠르고 저렴하게, 그리고 훨씬 적은 에너지로 실행된다면 그 영향은 측정할 수 없을 정도로 클 것이다.

더 빠른 기계, 더 큰 리스크

양자 컴퓨팅의 가능성은 고무적이지만, 이 기술의 현재 한계는 냉정하다. 오늘날에서 가장 유망한 응용 분야를 위한 고급 시스템에 도달하기 위해서는 매우 복잡한 구성 요소를 통합하고 무수한 도전을 극복해야 할 것이다. 때문에 양자 컴퓨팅 활용 가능 분야 중 많은 곳에서는 현실화에 더 오랜 시간이 걸릴 수 있다. 일례로 현재 추정에 따르면 암호 해독이 가능한 양자 컴퓨터는 현재 최고의 프로토타입과 비교하여 약 4만 배 더 많은 물리적 큐비트와 물리적 오류율의 5배 감소가 필요할 것이다. 간단한 화학 계산을 할 수 있는 양자 컴퓨터는 비용이 약 두 자릿수 정도 덜 들지만 그 역시 지금보다는 훨씬 더 고급 기술이 필요하다.

양자 개발의 현재 상태에 대한 한 가지 측정은 구글이 2018년에 발표한 로드맵에서 가져올 수 있다. 이 계획은 전체 규모의 양자 컴퓨터를 달성하는 데 필요한 여섯 가지 기술적 이정표를 구상했다. 1) 양자 프로세서가 첫 번째 작업에서 고전적 프로세서를 능가할 수 있음을 증명하는 것, 2) 논리적 큐비트를 위한 프로토타입 개발, 3) 실제 논리적 큐비트 시연, 4) 여러 논리적 큐비트 간의 연산을 위한 논리적 게이트 구축, 5) 간단한 양자 시뮬레이션을 위한 출발점으로 간주되는 논리적 큐비트 100개 생산, 6) 더 복잡한 시뮬레이션을 위한 논리적 큐비트 1000개 생산. (암호 해독 컴퓨터는 훨씬 더 고급 기능을 필요로 할 것이다.) 구글은 처음 두 이정표를 달성했으며, 2024년 12월 윌로우를 발표했는데 이는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 10²⁵년이 걸릴 벤치마크 알고리즘을 몇 분 안에 해결할 수 있는 새로운 양자 프로세서이다. IBM, 아이온큐, 퀘라를 포함한 다른 조직들도 대규모 오류 교정 양자 컴퓨터에 대한 자체 로드맵을 발표했다. 중국 연구자들, 특히 중국 과학기술대학의 연구자들은 구글의 첫 번째 이정표를 달성하고 수백 개의 큐비트를 가진 프로세서를 시연했다. 업계의 다른 플레이어들과 마찬가지로 중국 연구자들은 아직 공개되지 않은 다른 중요한 기술을 가지고 있을 게 틀림없다.

양자 경쟁의 현재 상태를 평가하기 위해, 미국 국방부의 연구 부서인 국방고등연구계획국(DARPA)은 최근 어떤 양자 컴퓨팅 접근법이 2033년까지 대규모 운영을 달성할 수 있는지 결정하기 위한 양자 벤치마킹 이니셔티브를 발표했다. 미래 혁신의 정확한 속도를 예측하는 것은 불가능하지만 일부 연구자들은 아마도 논리적 큐비트 10개로 구성된 전체 규모 양자 컴퓨터의 프로토타입이 이번 2020년대 말까지 개발될 수 있다고 추정했다. 이러한 성과에 더해, 개선된 오류 수정 방법과 더 효율적인 알고리즘은 세계를 양자 시뮬레이션에 매혹적으로 가깝게 만들 것이다.

현재 추정에 따르면, 연구자들은 2030년대 후반까지 첫 번째 진정한 양자 코드 해독 기계—큐비트 수백만 개와 적절한 오류 수정 기능을 갖춘 양자 컴퓨터—를 달성하지 못할 가능성이 높다. 그때에도 그러한 컴퓨터는 큰 숫자 하나의 인수분해를 마치는 데 몇 시간이 걸릴 것이다. 그럼에도 불구하고, 미국과 국제 파트너들이 지금 양자 기술에 대비하는 것은 중요하다. 네트워크는 오랜 가용성에도 불구하고 새로운 보안 표준을 구현하는 데 악명 높을 정도로 느렸다. 양자 보안 표준 세트를 개발, 테스트 및 개선하는 데에는 몇 년이 걸릴 것이다. 미국 국립표준기술연구소는 2016년부터 포스트 양자 세계를 위한 암호화 표준을 개발하기 위한 노력을 이끌어 왔다. 2024년 8월 국립표준기술연구소는 암호화 시스템 및 기타 제품에 통합하기 위한 지침과 함께 즉시 사용할 수 있는 표준으로 세 가지 고전적 암호화 알고리즘의 첫 번째 세트를 발표했다. 이 알고리즘 세트는 현존하는 어떤 암호 해독 기법으로도 뚫리지 않지만 미래에는 그 중 하나 이상이 취약해질 수 있다. 이러한 우려는 공개 암호화가 양자 공격에 대해 결코 완전히 안전하지 않을 수 있다는 것을 시사하는 새로운 연구 결과로 더욱 긴급한 문제가 되었다.

다른 새롭고 강력한 기술들과 마찬가지로 양자 컴퓨팅은 엄청난 잠재력을 가지고 있으며, 또한 새롭고 중대한 리스크도 초래한다. 대규모 데이터 도난, 경제적 혼란 및 정보 유출 외에도, 양자 컴퓨터는 화학 무기를 시뮬레이션하고 합성하거나 드론 군집의 비행 궤적을 최적화하는 것과 같은 악의적인 목적으로 사용될 수 있다. AI와 마찬가지로, 오남용의 가능성은 누가 기술을 통제해야 하고 어떻게 최악의 위협을 완화해야 하는지에 대한 중요한 질문을 제기한다. 정책 입안자들은 위험을 최소화하면서 경제적, 사회적 이득을 극대화하는 방법을 결정해야 할 것이다. 이 균형을 달성하는 가장 좋은 방법을 찾기 위해서는 시민사회 내에서의 활발한 토론과 기술의 잠재적 이득과 해로움에 대한 이해가 필요할 것이다. 양자 컴퓨터가 있는 세계에는 여러 미래가 있다. 가장 좋은 것은 자유민주주의가 기술의 개발과 집단적 관리 모두를 이끄는 것이다. 더 나쁜 것은 미국과 국제 파트너들이 아무런 행동을 취하지 않거나 충분하지 못한 행동으로 새로운 기술의 지배력을 중국과 다른 독재 국가들에게 양보하는 것이다.

양자 도약

양자 컴퓨터를 완성하는 것은 대담하고, 야심차며, 다면적인 프로젝트이며, 어떤 회사나 국가도 혼자서 달성할 수 없는 것이다. 오늘날의 초기 시스템은 이미 수천 개의 특수 부품, 도구 및 기기, 정교한 제조 및 극저온 시설, 그리고 수십 개의 기술 영역에서 세계적 수준의 숙련도를 필요로 하며, 이 모든 것은 연구 개발에 투자된 수십억 달러에 의해 지원된다. 내일의 시스템은 현저히 더 복잡할 것이다. 미국이 이 경쟁을 이끌고, 국제 동맹국들과 함께 최첨단 양자 컴퓨팅 시스템을 구축하려면, 양자 분야 종사자들이 부문과 국경을 넘어 협력할 수 있도록 해야 한다. 효과적인 협력은 더 폐쇄적이고 권위주의적인 국가들보다 자유민주주의에 상당한 이점을 제공할 수 있다.

오늘날 양자 시스템을 개발하는 많은 회사들에게, 양자 프로세서는 그들의 지적재산(IP)의 간판 자산이며 그들의 모국에서 생산된다. 구글은 미국에서 양자 칩을 만들고, 옥스포드퀀텀서킷은 영국에서 양자 칩을 생산하며, 앨리스앤밥Alice & Bob은 프랑스에서 한다. 이 칩들은 모두 내 연구 개발을 위한 것이다. 일부 사례에서는 제3자가 초기 프로토타입에 접근할 수 있다. 반도체 업계가 보여준 바와 같이, 어느 국가건 산업의 전략적 구성 요소를 생산하는 능력을 자국 내에 유지하는 데에는 지정학적 이점이 있다.

그러나 프로세서를 제조하고 전체 컴퓨터 시스템을 현지에서 통합하기 위해서는 필요한 인재도 있어야 한다. 이를 위해서는 정부 기관, 산업계, 연구 및 교육 기관 간의 협력이 필요하다. 양자 컴퓨팅 회사들은 예상되는 인력 요구 사항을 공유하고 현장 훈련 기회를 제공함으로써 이 과정을 지원할 수 있다. 양자 컴퓨팅에 필요한 기술 세트는 매우 전문화되어 있기 때문에 모든 국가가—그리고 어떤 한 국가도—필요한 모든 인재를 양성하는 것은 불가능할 수 있다. 우리(구글)의 양자 컴퓨팅 작업은 미국, 유럽, 아시아태평양 지역에 걸쳐 100개 이상의 학술 기관 및 산업 파트너와의 협력으로 이루어진다. 미국과 동맹국들은 이 중요한 부문의 회사들이 가장 재능 있는 과학자, 엔지니어 및 기술자를 모집할 수 있도록 하는 비자, 이민 및 수출 통제 정책을 시행하는 것이 현명할 것이다. 2024년 9월, 미국 상무부는 미국 내에서 고도로 숙련된 국제 근로자의 고용을 촉진하기 위해 간주된 수출 면제를 포함하는 새로운 규칙을 발표함으로써 이 방향으로 중요한 발걸음을 내딛었다.

미국 정부와 국제 파트너들은 또한 양자 컴퓨팅에 들어가는 모든 하위 시스템과 구성 요소에 대한 강력한 공급망을 구축해야 할 것이다. 필요한 많은 구성 요소들은 세계 각지의 다양한 장소에서 생산되고 있으며 앞으로도 계속될 것이다. 예를 들어 초전도체 큐비트를 구축하는 것은 인텔이나 TSMC 같은 회사가 소유한 고급 반도체 제조 시설에서 사용되는 것과 동일한 장비를 많이 필요로 한다. 이런 장비들은 프랑스, 독일, 네덜란드 및 미국을 포함한 다른 국가들에서 제조된다. 극저온 냉장고는 영국과 유럽연합에 기반을 둔 소수의 회사들만이 보유하고 있는 전문 지식을 필요로 한다. 제어 전자 장치 및 배선과 같은 다른 구성 요소들은 미국과 유럽연합 뿐만 아니라 이스라엘, 일본 및 대만의 전문 회사들에 의해 설계된다. 개별 국가들은 다른 부분들의 숙달을 달성할 수 있지만, 같은 생각을 가진 국가들은 전체 퍼즐을 조립하고 권위주의 국가들의 손이 닿지 않도록 함께 일해야 할 것이다.

양자 컴퓨팅이 잠재력을 최대한 발휘하기 위해서는 다양한 분야의 창의적인 정신을 가진 사람들이 양자 기술의 용도를 개발하는 데 필요할 것이다. 개발자 생태계를 육성하기 위한 몇 가지 초기 노력들이 있는데, 여기에는 잠재적 응용 분야를 향한 진전을 측정하는 DARPA의 양자 벤치마킹 프로그램과 실제 세계의 과제에 대한 새로운 양자 컴퓨팅 알고리즘을 생성하기 위한 3년, 500만 달러(73억 원) 규모의 국제 경쟁인 XPRIZE 양자 애플리케이션이 포함된다. 소프트웨어 개발자들이 접근을 위한 쉬운 인터페이스를 만들고, 학자들과 비즈니스 리더들이 그들에게 가장 중요한 문제에 이러한 인터페이스를 사용하며, 소비자와 시민사회가 그들이 가장 가치 있다고 생각하는 것에 대한 의견을 제공함으로써 성과가 나올 것이다.

인간을 달에 착륙시키거나 인간 게놈의 모든 유전자를 시퀀싱하는 경주와 마찬가지로, 양자 컴퓨팅의 성공적이고 안전한 개발은 과학자들만으로는 달성할 수 없다. 이것은 세대를 아우르는 공공 및 민간의 자원과 인재 투입, 그리고 선견지명이 있는 국제 외교가 필요할 것이다. 양자 컴퓨터는 미국과 전 세계의 많은 다른 국가들에게 특별한 기회를 만들어 줄 것이다. 그들은 또한 남용이나 오용의 가능성, 그리고 세계 질서에 대한 가능한 충격을 포함한 새로운 리스크를 제기할 것이다. 이러한 위험이 관리될 수 있다면, 인간 진보를 가속화하고 더 나은 미래를 구축하기 위한 양자 컴퓨팅의 잠재력은 믿을 수 없을 정도로 클 수 있다.

차리나 추는 구글 퀀텀 AI의 디렉터이자 최고운영책임자이다.

제임스 매니카는 구글의 수석부사장(SVP)이자 구글의 연구·기술·사회Research, Technology, and Society 부문 사장이다.

하르트무트 네븐은 구글의 엔지니어링 부사장(VP)이자 구글 퀀텀 AI 대표다.

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