양자 컴퓨팅 혁명을 위한 준비
양자 컴퓨팅은 현재의 전통적인 컴퓨팅이 해결할 수 없는 각종 문제를 해결...



  • 양자 컴퓨팅 혁명을 위한 준비

    양자 컴퓨팅은 현재의 전통적인 컴퓨팅이 해결할 수 없는 각종 문제를 해결할 수 있다. 하지만 아직까지 양자 컴퓨팅의 잠재력을 완전하게 실현하는 기술은 구현되지 않았다. 다만 연구실과 첨단 기술 기업들은 끊임없이 양자 컴퓨팅 연구를 수행하고 괄목할 만한 성과를 내고 있다. 그렇다면 현 시점에서 기업이나 기관들은 이러한 양자 컴퓨팅 시대를 위해 어떤 준비를 해야 할까?

    지난 반세기 동안 무어의 법칙의 끊임없는 발전과 소프트웨어의 보완적 발전에도 불구하고 오늘날 컴퓨터가 해결할 수 없는 많은 문제가 여전히 남아 있다. 그중 일부는 단순한 상업적인 의미로 차세대 반도체로 해결할 수 있다고 기대하고 있다. 그러나 다른 것들은 영원히 고전적 컴퓨터가 지닌 제한적 범위로 인해 해결되지 못할 것이다. 이를 해결할 수 있는 새로운 개념으로 등장한 것이 바로 양자 컴퓨팅이다. 양자 컴퓨팅 시대의 여명기는 잠재적 공급자와 이용자에게 새로운 동기를 부여할 뿐만 아니라, ‘고전적 컴퓨팅으로는 다루기 힘든’ 문제들을 마침내 해결할 수 있다는 기대를 제공해주고 있다.

    그러나 양자 컴퓨팅의 엄청난 잠재력에도 불구하고 이 기술의 타이밍과 실제 영향을 평가하는 것은 다른 어떤 혁신 기술보다 어려운 것으로 입증되었다. 그나마 다행스러운 점은 전 세계의 연구실에서 새로운 돌파구가 등장하면서 안개가 서서히 걷히고 있다는 점이다.

    보스턴 컨설팅 그룹(Boston Consulting Group, BCG)은 향후 수십 년 동안 양자 컴퓨팅의 엔드 유저들이 비용 절감은 물론 연간 최대 8,500억 달러의 수익 창출 기회 형태로 그 이익을 실현할 것으로 추정하고 있다. 이러한 이익은 복잡한 시뮬레이션과 최적화에 대한 니즈가 있는 산업 분야의 기업인 기관에서 먼저 발생한다. 우선 앞으로 수년 동안에는 ‘느린 구축’ 기간으로 이러한 이익이 2024년까지 연간 20억 달러에서 50억 달러 수준에 이를 것으로 예상된다. 그러나 기술과 상업용 응용 프로그램이 성숙해짐에 따라 가치 창출은 더 빠르게 가속화될 것이다.

    가장 긍정적인 추정은 첫 번째 수익이 앞으로 4~5년 후부터 시작될 것이며 ‘빅 양자 잭팟’은 아마도 10년 이후 일어날 것이라는 데 동의한다는 점이다. 이에 따르는 질문은 다음과 같다.

    “양자 컴퓨팅의 혁신적 가치 창출이 최소 5년에서 10년 후라면 기업들이 지금 투자를 고려하는 이유는 무엇인가?”

    답은 간단하다. 이것은 급진적인 기술로, 고도의 슈퍼 컴퓨팅 역량을 이미 보유하고 있는 기업에게조차 엄청난 초성장 도전 과제이기 때문이다. 양자 프로그래밍과 기본 ‘양자 기술 스택(tech stack)’, 즉 기반이 되는 기술은 서로에게 있어 유사점이 거의 없지만, 이 두 가지는 매우 밀접하게 함께 작동할 가능성이 있다. 따라서 얼리 어답터는 전문 지식, 기술 격차에 대한 가시성, 양자 컴퓨팅이 상업적 견인력을 얻을 때의 구조적 이점을 제공할 핵심 지적 재산을 미리 확보해야 한다.

    더 중요한 점은 전문가들에 따르면 양자 컴퓨팅의 진전이 매끄럽고 연속적인 곡선을 따르지 않을 것이라는 데 있다. 이보다 양자 컴퓨팅 산업은 산발적으로 획기적 발전을 경험할 가능성이 높다. 이에 양자 컴퓨팅을 워크 플로에 통합하기 위해 투자한 기업들은 이 경험을 활용할 수 있는 위치에 있을 가능성이 훨씬 더 높다. 이는 고전적 방식으로는 다루기 힘든 고도의 계산 문제로 인해 병목 현상이 발생하고 수익 기회를 놓치고 있는 산업에 상당한 이점을 제공할 것이다.

    미래 비즈니스 가치에 대한 평가는 양자 컴퓨터가 2진법 머신, 즉 기존 컴퓨팅보다 보다 더 효율적으로 해결할 수 있는 문제의 종류가 무엇인지에 대한 질문에서 시작된다. 간단한 답은 없겠지만, 몇 가지 지표로 수행해야 할 계산의 크기와 복잡성을 알 수는 있다.

    예를 들어, 약물 발견을 생각해보자. 표적 질병에 도달하여 그 질병 경로를 변형시키려는 화합물을 설계하려는 과학자들에게 중요한 첫 번째 단계는 분자의 전자 구조를 결정하는 것이다. 그러나 기저 상태에서 41개의 원자를 지닌 페니실린과 같은 일상용 약물의 분자 구조를 모델링하는 데만도 약 1086 비트의 고전적 컴퓨팅을 필요로 한다.

    이는 관측 가능한 우주에 있는 원자보다 더 많은 트랜지스터를 포함해야 하는 것이다. 따라서 이러한 기계는 현재 물리적으로 불가능하다. 그러나 양자 컴퓨터의 경우 이러한 유형의 시뮬레이션을 수행하는 데 286개의 양자 비트 또는 큐비트가 있는 프로세서를 필요로 하기 때문에, 가능성의 영역 내에 있다. 따라서 양자 컴퓨팅의 영향력을 극대화할 수 있는 최고의 기회는 다음과 같다.

    - 재료 디자인
    - 새로운 약물 발견
    - 금융 서비스
    - 전산유체역학
    - 운송 및 물류
    - 에너지
    - 기상학

    이러한 양자 컴퓨팅의 역량과 개발 속도를 감안하여 우리는 다음과 같은 예측을 내려 본다.

    첫째, 양자 컴퓨팅의 완전한 잠재력은 대략 30년에 걸쳐 3단계로 실현될 것이다.

    2025년까지는 소위 ‘양자계 검증단계(Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ)’를 특징으로 할 것이다. 이는 오류가 보정된 양자컴퓨터가 상용화되기 이전 단계로, 오류가 포함된 수십~수백 개 수준의 큐비트를 활용한 중간 규모의 양자컴퓨터를 개발하는 시대를 의미한다. 이 시대는 비교적 높은 오류율과 더불어 유용하고 개별적인 기능을 점점 더 많이 수행할 수 있는 특징을 지닌다. 이들은 기존 신경망과 다소 유사한 양자 휴리스틱을 활용하는 데 사용될 가능성이 크다. IBM, 구글, 리게티(Rigetti) 등의 기업들은 양자계 검증 단계에서 시뮬레이션과 조합 최적화에 최초의 성과를 가져오는 오류 완화 부문에서의 기술적 혁신을 기대하고 있다.

    다음으로, 2025년에서 2035년 사이 양자 컴퓨팅은 실질적으로 산업에서 중요성이 있는 광범위한 작업 분야에서 우수한 성능을 산출하는 소위 광범위 양자 이점(Broad Quantum Advantage)을 달성할 것으로 예상된다. 양자 이점은 양자 컴퓨터가 이전의 컴퓨터에 비해 지닌 다소의 이점으로, 기존 컴퓨터를 훨씬 앞선다는 뜻의 ‘양자 우위(quantum supremacy)’보다 제한적인 의미로 쓰인다.

    이 단계는 기존 2진법 머신으로 가능한 속도, 비용, 품질에 대한 진정한 양자 도약을 이룩할 것이다. 또한 이 시대에는 ‘오류 수정’ 및 기타 유관 영역에서 상당한 기술적 장애를 극복하고 양자 프로세서의 성능과 신뢰성을 지속적으로 향상시키는 것이 필요하다. 이 단계를 준비하기 위해 자파타 컴퓨팅(Zapata Computing)과 같은 기업들은 양자 이점이 있는 분자 시뮬레이션이 상당한 비용을 절감시킬 뿐만 아니라 시장에 더 빨리 출시될 수 있는 더 나은 제품의 개발을 주도할 것으로 확신하고 있다.

    그리고 궁극적으로 고장 허용 범위(Full-Scale Fault Tolerance)인 세 번째 단계는 2040년대에 도달할 것으로 예상된다. 풀스케일 폴트 톨러런스, 즉 고장 허용 범위는 풀스케일로 고장이 발생해도 동작이 가능하다는 의미이다. 이러한 고장 허용 범위를 달성하려면 양자 기술의 메이커들이 규모, 안정성과 관련된 문제를 포함하여 추가적인 기술적 제약을 극복해야 한다.

    그러나 일단 이 단계에 도달하면, 양자 컴퓨터는 광범위하게 각 산업을 변화시킬 것이다. 즉, 양자 컴퓨터들이 시행착오를 크게 줄이고 특수 화학 물질 시장의 자동화를 개선하고 금융 분야에서 방어 및 위험 중심의 거래 전략을 가능하게 할 것이다. 

    또한 사람의 생체로 임상 시험을 하는 것이 아니라 디지털 가상으로 진행하는 ‘인 실리코(In Silico)’의 생산성을 크게 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 인 실리코 약물 발견은 개인 맞춤화형 의료에 있어 중요한 의미를 갖고 있다.

    둘째, 여러 산업 분야에서 양자 컴퓨팅은 2050년까지 연간 최대 8,500억 달러의 운용 이익을 발생시킬 것이다.

    주가수익비율을 15로 가정하면 양자 컴퓨팅은 2050년까지 주식 시장 가치에 거의 13조 달러를 기여할 수 있다. 보스턴 컨설팅 그룹에 따르면 이 수익은 연간 증가 흐름과 반복적인 비용 효율성의 격차를 거의 균등하게 분할할 것이다.

    셋째, 가장 큰 승자는 가능한 한 빨리 기회를 식별하고 기술이 개발되는 즉시 활용할 준비를 하는 이들이 될 것이다.

    오늘날 기업들은 준비를 위해 무엇을 할 수 있을까? 보스턴 컨설팅 그룹이 말하는 첫 번째 단계는 진단 평가를 수행하여 산업 분야에 대한 양자 컴퓨팅의 잠재적 영향을 확인한 후, 이 영향권에 해당하는 경우 창출 가능한 가치를 포착하기 위한 파트너십 전략을 추진하는 것이다. 이 부분에서 기업들은 기회와 과제, 컴퓨팅 리소스 사용에 대한 자체 평가를 해야 하고, 이상적으로는 담당자 선정, 연구개발도 포함시켜야 한다. 양자 컴퓨팅을 준비하는 기업이라면 적어도 다음 4가지 질문을 던져야 한다.

    1. 현재 고성능 컴퓨터를 통해 문제를 해결하기 위해 많은 돈이나 기타 자원을 사용하고 있는가?

    2. 고성능 컴퓨팅 또는 기타 컴퓨팅 솔루션으로도, 시뮬레이션 또는 최적화 문제를 해결하는 데 어려움이 있는가?

    3. 화학 물질 및 기타 액체 또는 기체 물질을 다루는 연구나 물리적 프로토타입 제작과 같은 비효율적인 시행착오 실험에 리소스를 사용하고 있는가?

    4. 조합 최적화, 미분 방정식, 선형 대수, 인수 분해를 포함해 양자 이점이 있는 분야에 기초한, 해결해야 하는 주요 문제가 있는가?

    위 4가지 질문에 하나라도 ‘그렇다’가 있다면, 다음 단계는 ‘양자 가치 진단’을 수행하는 것이다. 이것은 양자 컴퓨팅이 특정 산업 내 개별 ‘통점(pain point)’에 조기에 또는 대규모로 영향을 미칠 수 있는 부분을 평가하는 것으로 시작한다. 또한 산업 또는 특정 기업에 대한 양자 컴퓨팅의 시간 경과에 따른 가치 평가를 설정하려면 여러 출처에서 전문 지식을 수집하고 종합해야 한다.

    이러한 출처는 다음과 같다.

    - 업계 비즈니스 리더 : 현재 고통받고 있는 문제를 해결할 때의 비즈니스 가치를 입증할 수 있다.
    - 업계 기술 전문가 : 현재와 미래의 비 양자 솔루션의 한계와 문제점을 평가할 수 있다.
    - 양자 컴퓨팅 전문가 : 양자 컴퓨팅이 언제 문제를 해결할 수 있는지 확인할 수 있다.

    Resource:
    1. Boston Consulting Group. May 13, 2019. Matt Langione, Corban Tillemann-Dick, Amit Kumar, and Vikas Taneja. Where Will Quantum Computers Create Value - and When?

    2. Boston Consulting Group. NOVEMBER 15, 2018. Philipp Gerbert and Frank Ruess. The Next Decade in Quantum Computing - and How to Play.

    3. Boston Consulting Group. October 6, 2020. Jean-François Bobier, Jean-Michel Binefa, Matt Lan – gione, and Amit Kumar. IT’S TIME FOR FINANCIAL INSTITUTIONS TO PLACE THEIR QUANTUM BETS.

    4. Harvard Business Review. July/August 2021. Francesco Bova, Avi Goldfarb, and Roger Melko.Quantum Computing Is Coming. What Can It Do?

    5. EPJ Quantum Technology. 29 January 2021. Francesco Bova, Avi Goldfarb & Roger G. Melko.Commercial applications of quantum computing.

    6. TechRepublic.com August 24, 2021. Karen Roby. Expert: Now is the time to prepare for the quantum computing revolution .

    7. TechRepublic.com. June 29, 2021. Esther Shein. The quantum decade: IBM predicts the 2020s will see quantum begin to solve real problems.