양자 컴퓨터 두뇌…QPU가 궁금하다

QPU는 기존 컴퓨터와 완전 다른 계산 방식을 채택해 기존보다 압도적인 속도와 계산량을 해낼 수 있는 양자컴퓨터 연산 유닛이다.

지금까지 시간이 걸려 해결이 사실상 불가능하다고 여겨진 문제도 해결될 가능성이 기대되고 있다. 예를 들어 암호화 기술 핵심 인수 분해 계산도 양자컴퓨터로 해결할 수 있다. 물론 오늘날 암호화 기술이 갖는 보안성을 순식간에 파괴해 버릴 가능성은 있지만 동시에 지금까지 이상으로 해독이 어려운 암호를 개발하는 것도 가능하게 된다. 그 밖에 원자 수준에서 양자역학을 시뮬레이션하거나 단백질이나 약품 등 구조 해석, 비행기 설계 등 온갖 분야에서 도움이 될 수 있다.

QPU란 양자컴퓨터 두뇌를 말한다. 전자나 광자 등 입자 동작을 이용해 기존 컴퓨터 프로세서보다 훨씬 빠른 특정 종류 계산을 하는 것이다. QPU는 양자중첩이나 양자얽힘이라는 양자역학 현상을 이용해 병렬 계산을 실시한다. 한편 기존 컴퓨터에 사용되는 CPU나 GPU 등은 고전 물리학 원리를 전류에 응용한 것이다. 따라서 양자컴퓨터의 경우 기존 컴퓨터를 고전 컴퓨터라고 한다.

예를 들어 CPU와 GPU는 전류 온오프 상태를 비트 단위로 계산하지만 QPU 양자비트에선 0과 1 뿐 아니라 0과 1을 중첩한 상태를 나타낸다. 클래식 비트로 3비트는 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 중 한 번에 나타낼 수 있는 건 1개 뿐이다. 하지만 양자비트는 0과 1 중첩 상태를 나타낼 수 있기 때문에 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있다.

양자컴퓨터에선 기존 컴퓨터에서 하나하나 처리하던 계산을 동시 병렬로 실시할 수 있기 때문에 지금까지 컴퓨터에선 막대한 시간이 필요했던 계산도 빠르게 끝낼 수 있다. 예를 들어 양자컴퓨터 기업인 QCI(Quantum Computing Inc.)는 BMW와 AWS가 내놓은 차량 센서 배치에 관한 3,854개 변수와 500개 이상 조건에 주어진 문제를 해결했다고 발표했다. 이 문제는 기존 고전 컴퓨터라면 시간이 오래 걸리는 문제였지만 QCI 양자컴퓨터는 불과 6분 만에 답을 냈다고 한다.

물론 양자비트 수가 많을수록 가능한 병렬 계산량이 늘어나므로 양자비트 수는 QPU 능력에 직결된다. 또 양자컴퓨터 연구자는 QPU 성능을 테스트하고 측정하는 방법을 모색하고 있다. QPU에 양자비트를 구축하는 방법으로 가장 인기 있는 접근법은 초전도 양자비트로 불리는 기술. 초전도체 2개 사이에 절연체를 사이에 두는 조셉슨 접합(Josephson junction)으로 쿠퍼쌍이라고 불리는 전자 2개가 터널 효과에 의해 절연체를 통과하는 현상을 이용해 양자역학적 중첩을 실현한다는 것이다. 양자비트에 사용되는 초전도체 상태를 지속시키기 위해 양자컴퓨터 회로는 액체질소 등으로 극저온에서 동작시켜야 한다.

또 일부 기업은 전자가 아닌 광자를 이용해 양자비트를 개발하고 광자 진동이나 경로를 0∼1로 계산하기 때문에 초전도 양자비트와 달리 액체질소 등으로 양자비트를 극저온으로 유지할 필요가 없다. 하지만 광자를 관리하기 위해 레이저와 고급 검출기가 필요하며 검출할 때 오류가 발생하기 쉽다는 게 단점이다.

그 밖에 전자장에서 하전입자를 가늘게 하는 이온 트랩(ion trap)을 이용해 양자 중첩 상태를 만들어내는 이온트랩형 양자비트 등 양자비트 실현에는 다양한 방법이 연구되고 있다. 지금까지는 아직 양자컴퓨터 여명기인 만큼 QPU 양자 비트에 어떤 종류 양자 비트가 널리 사용될지는 밝혀지지 않았다.

하지만 2가지 방법 모두 극저온을 유지할 수 있는 냉장고, 진동 인클로저, 전자기 차폐 등 일반 가정에는 설치할 수 없는 시설이 필요하다. 따라서 양자컴퓨터는 주로 슈퍼컴퓨팅이 요구되는 연구 시설과 대규모 데이터센터에 설치될 것으로 예상된다.

이런 QPU로 실용적인 게 등장하는 건 아직 시간이 필요하다. 하드웨어 레벨에선 QPU는 현실 세계 많은 일에 대응할 만큼 강력하지 않고 신뢰도도 충분하지 않다는 것. 또 QPU에 대응하는 소프트웨어도 아직 초기 단계이며 이는 고전 컴퓨터 여명기 어셈블리 언어 엔지니어가 겪는 일과 비슷하다고 할 수 있다.

하지만 아마존이나 IBM 등 여러 기업이 하드웨어 연구에 투자하고 있으며 양자컴퓨터용 소프트웨어 환경을 정리하는 프로젝트가 진행되고 있다. 엔비디아 역시 양자컴퓨터와 고전 컴퓨터를 연계한 하이브리드 양자 컴퓨팅 시스템을 프로그래밍하기 위한 오픈 플랫폼 QODA(Quantum Optimized Device Architecture)를 발표하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.