양자AI 기술 트렌드 분석

지난 8일(현지시간) 미국 플로리다주 올랜도에서 열린 ‘SAS 이노베이트 2025’ 행사.

이 자리에서 테크업계 거물인 사티아 나델라 마이크로소프트(MS) 최고경영자(CEO)와 짐 굿나잇 SAS CEO가 양자 컴퓨팅과 인공지능(AI) 기술의 잠재력에 대해 한 목소리를 냈습니다.

나델라 CEO는 “폰 노이만 아키텍처(이진법 컴퓨터의 기본구조)를 넘어 진정으로 자연을 시뮬레이션하기 위해서 필요한 것은 양자 컴퓨팅”이라고 강조했죠.

특히 두 사람은 양자컴퓨팅과 AI의 시너지에 주목했습니다.

짐 굿나잇 SAS CEO(왼쪽)와 사티아 나델라 마이크로소프트(MS) CEO가 이달 8일(현지시간) 미국 플로리다주 올랜도에서 열린 ‘SAS 이노베이트 2025’ 행사에서 영상 대담을 진행하고 있는 모습. 매경DB

짐 굿나잇 SAS CEO는 “양자컴퓨팅을 다른 AI 기술에 접목할 경우 엄청난 잠재력이 있다”고 언급했습니다. 나델라 CEO는 “생물학이나 화학에서 새로운 소재 등을 찾는 과정에서 지금은 HPC와 AI를 조합해 사용하고 있지만, 양자 기술과 AI가 결합될 때 생물학, 화학에서 진정한 혁신이 이루어질 것”이라고 설명했고요.

양자컴퓨터란 양자역학의 원리(중첩, 얽힘, 간섭 등)를 활용해 정보를 처리하는 미래형 컴퓨터를 의미합니다. 기존 컴퓨터가 0 또는 1의 값을 가지는 비트로 연산하는 반면, 양자컴퓨터의 기본 단위인 큐비트는 0과 1이 동시에 중첩된 상태로 존재할 수 있죠.

여러 개의 큐비트가 얽히면 2ⁿ개의 상태를 한 번에 표현하고 계산할 수 있어, 특정 문제에서는 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 해답을 찾을 수 있는 구조입니다. 이 때문에 인류의 난제를 풀어줄 기술로 주목받고 있죠.

특히 AI와 결합할 경우 인류의 삶을 크게 개선시킬 ‘게임 체인저’ 기술이 될 것으로 기대됩니다.

다수의 과학자들은 양자컴퓨터와 AI의 결합은 21세기 과학기술의 가장 혁신적인 도약이 될 것으로 평가하고 있습니다. 두 기술이 상호 보완적으로 융합될 때, 기존 컴퓨팅 패러다임의 한계를 뛰어넘는 새로운 가능성이 열릴 것이라는 것이죠.

그래서 이번주 <더테크웨이브>에서는 양자컴퓨팅과 AI의 기술 결합과 트렌드에 대해 알아보겠습니다.

양자컴퓨팅과 AI의 시너지

구글의 양자 컴퓨터 실험 기기. 연합뉴스

양자컴퓨터는 큐비트(Qubit)의 중첩과 얽힘 등 양자역학적 원리를 활용해 기존 컴퓨터로는 상상할 수 없는 병렬 연산 능력을 발휘합니다.

0 또는 1의 ‘비트’로 정보를 처리하는 일반 컴퓨터와 달리 0과 1이 동시에 존재하는 중첩, 얽힘 상태인 ‘큐비트’를 활용해 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 계산을 빠르게 처리할 수 있는 것입니다.

반면 AI는 방대한 데이터를 분석하고 패턴을 찾아내는 데 특화되어 있지만 연산 자원의 한계와 에너지 소비 문제에 직면해 있죠. 이 때문에 두 기술의 결합은 다양한 시너지를 창출할 수 있는 셈이죠.

그래서 양자컴퓨터의 병렬 연산 능력을 활용하면 대규모 데이터셋을 기존보다 훨씬 빠르게 처리하고, 복잡한 AI 모델의 학습 시간을 획기적으로 단축할 것으로 기대됩니다.

물류, 금융, 신약 개발 등 다양한 분야의 고차원 최적화 문제를 양자 알고리즘과 AI가 함께 해결함으로써, 기존 컴퓨터로는 풀기 어려웠던 난제를 효율적으로 다룰 수도 있고요.

에너지 효율성 극대화도 도모할 수 있습니다. AI 모델 학습에 드는 막대한 전력 소비를 양자컴퓨터가 대폭 줄일 수 있어, 친환경적이고 지속 가능한 AI 발전이 가능해질 수 있다는 것이죠.

이처럼 양자AI가 상용화되면 의료, 금융, 물류, 기후 과학, 신약 개발 등 다양한 산업에서 판도를 바꿀 전망입니다. 이미 양자 기술이 컴퓨터, 스마트폰, 레이더, GPS, 반도체 등에서 활용되고 있지만 여기서 한발 더 나아가는 것입니다.

가령 분자 구조 시뮬레이션, 신약 후보 물질 발굴, 유전자 분석 등에서 AI와 양자컴퓨터가 결합하면 신약 개발 기간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있겠죠. 또한 기후 변화 예측, 에너지 효율화, 신소재 개발 등에서도 양자 AI의 초고속 시뮬레이션 능력이 핵심 역할을 할 수 있습니다.

미국 컨설팅업체 맥킨지앤드컴퍼니는 2030년께 전 세계에 최대 5000대의 양자컴퓨터가 보급될 것으로 내다봤습니다.

슈퍼컴은 10자년, 구글 양자컴은 5분

지난해 12워 구글이 공개한 양자 칩 윌로우. 구글

작년 말부터 시작된 양자컴퓨터 열풍이 불을 붙인 회사는 바로 구글입니다.

지난해 12월 구글은 구글이 신형 양자 칩인 ‘윌로우’를 공개하면서 윌로우가 양자오류 수정분야에서 30년간 해결하지 못한 과제를 풀었다고 자신있게 밝혔습니다. 양자 칩은 양자컴퓨터에 사용되는 처리장치로 초전도 환경에서 사용됩니다.

구글은 윌로우는 현재 가장 뺘른 슈퍼컴퓨터가 10셉틸리언(10의25승)년이 걸리는 문제를 5분 이내에 푼다고 밝혔습니다. 10의 25승은 한국의 숫자 단위로 10자(秭)에 해당합니다. 이는 1경(京)의 10억 배에 달하죠.

양자 컴퓨터의 연산 단위인 큐비트는 주변 환경과 빠르게 정보를 교환하는 경향이 있어 연산을 완료하는 데 필요한 정보를 보호하기 어려운 한계가 있습니다. 이에 따른 오류는 양자 컴퓨팅의 가장 큰 난제 중 하나로 꼽히고 있죠. 일반적으로 큐비트를 많이 사용할수록 더 많은 오류가 발생하기 때문입니다.

구글은 양자 상태 유지 시간을 개선하고, 구양자 오류를 효과적으로 수정할 수 있는 오류 수정(Error Correction) 알고리즘을 강화했다고 설명했습니다. 윌로우 칩의 큐비트를 서로 연결해 큐비트 수가 증가할수록 오류를 줄이고, 실시간으로 오류를 수정할 수 있는 기술을 개발한 것입니다.

공개된 내용이 제한적이라 윌로우의 구조를 모두 파악하기 어렵지만 윌로우는 등장만으로 업계에 상당한 파장을 불러왔습니다.

구글의 지주회사 알파벳은 미국 캘리포니아 산타바버라에 구글 퀀텀 AI 연구소를 설립한 이래 기술 고도화에 속도를 높이고 있습니다. 2019년 양자컴퓨터 프로세서 ‘시커모어’를 공개한데 이어 윌로우를 공개하면서 압도적 기술적 우위를 증명했다는 평가입니다.

사실 구글은 챗GPT를 개발한 오픈AI와 비교되며 생성형 AI 경쟁에서 다소 뒤처진 감이 있는 것도 사실인데요. 양자AI를 바탕으로 판을 뒤집겠다는 것이 구글의 야심으로 보입니다.

AI 학습에 이용할 데이터가 점점 줄어드는 상황에서 양자컴퓨터를 활용해 다양한 연구데이터와 인사이트를 발굴하고, 상용화 기회도 모색할 수 있다는 계산이 깔려 있죠.

구글 퀀텀 AI의 줄리안 켈리 하드웨어 책임자는 “미래에는 양자 기술과 AI가 실제로 상호 보완적으로 작용할 수 있을 것이다. 우리가 양자 컴퓨터를 기반으로 한 획기적이고 실용적인 응용 프로그램을 개발하는 데에는 앞으로 약 5년밖에 걸리지 않을 것”이라고 호언장담했습니다.

빅테크 양자컴 기술 경쟁 본격화

구글과 함께 양자컴퓨팅 분야에서 가장 앞서가는 기업으로 평가받는 IBM은 지난해 말 현존하는 최고 성능의 양자칩 ‘헤론’을 공개했습니다. 2029년까지 완벽한 오류 수정이 가능한 양자컴퓨터를 개발하겠다는 목표로 기술 고도화를 추진중입니다.

IBM은 컴퓨팅 분야 강화를 위해 향후 5년간 1500억 달러(약 216조 원)을 투자하는 계획도 발표했습니다. IBM은 “양자컴퓨터는 수십 년 만에 가장 큰 기술 플랫폼 전환과 경제적 기회를 의미한다. 이러한 솔루션을 구현하면 세상이 작동하는 방식의 기본 원리를 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 미국의 경쟁력·일자리·국가 안보를 혁신할 것”이라고 밝혔습니다.

전세계 퍼블릭 클라우드 시장을 지배하는 빅3 클라우드 기업들은 모두 양자컴퓨팅 칩을 출시하고 직접 하드웨어 개발에 나서고 있습니다. 지난 3월 미국 아마존웹서비스(AWS)는 자체 개발한 첫 양자컴퓨팅 칩 ‘오셀롯’(Ocelot)을 공개했습니다.

AWS의 오셀롯 칩 1개에는 데이터를 저장하는 5개 큐비트와 이를 안정화하는 회로, 큐비트의 오류를 감지하는 4개의 추가 큐비트가 탑재됐다고 해요. 아마존은 “이번 양자 칩 기술은 ‘양자 오류’의 수정 비용을 최대 90% 줄일 수 있다. 양자컴퓨터 개발 기간을 최대 5년 단축할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔습니다. AWS에 따르면 오셀롯은 양자 오류를 해결하는데 필요한 자원이 10분의 1로 줄어들 것으로 기대됩니다.

이에 뒤질세라 마이크로소프트(MS)도 양자컴퓨팅 칩 ‘마요라나1’을 공개했습니다.

마이크로소프트의 칩은 구글이나 AWS가 사용하는 초전도체방식과는 다른 위상초전도체 방식을 사용합니다. 위상초전도체 방식은 이론적으로는 가능하지만 현실적으로는 구현하기 어렵다는 의견이 많았는데 이를 구현해냈다는 평가입니다.

마이크로소프트는 위상초전도체방식이 큐비트 규모를 확대하는데 강점을 가지고 있다고 설명했습니다. 특정한 구조를 가진 초전도체는 ‘마요라나 입자’라는 것을 만들어내고, 이 안에서 큐비트의 상태가 안정적으로 유지된다는 것이죠. 큐비트가 안정적인 만큼 수를 빠르게 늘릴 수 있어 양자컴퓨터 성능을 끌어올릴 것으로 기대되지만 아직 실험적으로 완전히 검증된 방식은 아니라는 평가도 있습니다.

MS는 위상 초전도체 기반의 양자칩을 통해 양자컴퓨터의 큐비트 수를 100만개까지 확장할 수 있다고 밝혔습니다. 현재 구글과 IBM이 개발한 양자컴퓨터의 큐비트가 1000개 수준임을 감안할 때 기술적 우위를 주장한 것으로 보입니다.

양자컴퓨터 구현방식. 매경DB

빅테크들은 양자컴퓨팅이 엔비디아 GPU가 부상했을 때 처럼 클라우드 산업의 판도를 것으로 보고 있습니다.

향후 클라우드 컴퓨팅 사업과 연관성도 매우 크고요. 양자컴퓨터는 고전 컴퓨터와 다르게 전선과 초저온냉각장치 등이 필요해 매우 부피가 크죠. 데이터센터에 탑재돼 클라우드 형태로 고객들에게 서비스될 가능성이 높다는 분석입니다.

또한 큐빗을 확장하기위해서는 수많은 케이블이 필요한데 결국 칩 기술이 발전해 전체 생태계를 바꾸는 것이 기술 혁신의 관건으로 보입니다. 여기에(하드웨어) 빅테크가 투자를 쏟아붓고 있고요.

양자패권 두고 미중 경쟁

중국 기업 오리진 퀀텀이 개발한 양자컴퓨터 ‘본원오공’. 매경DB

‘양자패권’을 두고 미국과 중국의 경쟁도 시작됐습니다.

중국은 양자 분야에서 두각을 나타내며 미국을 쫓아가고 있습니다. 최근에는 자체 개발 양자칩인 ‘주총즈 3.0’과 504큐비트 양자컴퓨터 ‘톈옌-504’를 선보였습니다.

중국과학원(CAS) 산하 중국과학기술대와 중국의 양자컴퓨터 업체 ‘퀀텀씨텍’ 등은 지난해 12월 새로운 양자칩 ‘주총즈 3.0’을 사전 논문 사이트 아카이브에 공개했습니다.

이들 연구진은 “주총즈 3.0이 105큐비트(양자정보 연산단위)를 가졌다. 현존 최강 슈퍼컴퓨터인 ‘프런티어’로는 거의 불가능한 연산을 빠르게 해낼 수 있다”고 강조했습니다. 구글의 구형 양자칩 ‘시커모어’보다 성능이 뛰어나다는 주장입니다.

지난달 중국 관영매체 글로벌타임스는 자국에서 세계 최초로 양자컴퓨터를 통한 인공지능(AI) 모델의 파인튜닝(미세조정) 학습에 성공했다고 보도하기도 했습니다. 양자AI 분야에서 중국이 앞서가고 있다는 일종의 무력시위로도 해석됩니다.

시진핑 주석은 글로벌 경쟁력 강화를 위해 2035년까지 양자 기술을 선도한다는 목표를 세웠습니다.

이를 위해 중국은 제13차(2016~2020년)·14차(2021~2025년) 5개년 계획을 통해 양자 기술을 국가 전략에 포함시켰습니다. 제13차 5개년 계획에서는 2030년까지 국가 양자 인프라 확충과 양자 컴퓨터 프로토타입 개발, 양자 시뮬레이터 구축 등 양자 통신 및 컴퓨팅 분야에서 획기적인 발전을 목표로 하는 ‘메가프로젝트’도 시작했죠.

현지 보도 등에 따르면, 시 주석은 2020년 글로벌 기술 경쟁에서 우위를 점하기 위해선 신속한 상용화가 필요하다며 양자 기술 개발을 가속화할 것을 요구한 상태입니다.

중국 양자 기술 산업과 연구는 양자 기술 기업들이 입주해 생태계를 만든 ‘허페이 국가첨단산업개발구’와 스타트업인 ‘오리진 퀀텀’이 손꼽힙니다. 2017년에 중국 허페이에 설립된 오리진 퀀텀은 중국 양자컴퓨팅 분야에서 선두를 달리는 기업으로 평가받고 있습니다.

무엇보다 세계 최대의 양자연구소를 보유하고 있으며, 인재도 끊임없이 양성되는 점이 중국의 무서운 점입니다.

구글, IBM과 함께 미국 양자 기술 경쟁을 이끄는 마이크로소프트(MS)는 중국의 기술 추월 가능성을 구체적으로 언급하며 위기감을 드러내기도 했습니다.

미국 CNBC 등에 따르면 브래드 스미스 MS 부회장은 최근 “도널드 트럼프 대통령과 미국 정부가 양자 연구에 대한 자금 지원(funding)을 최우선 과제로 삼아야 한다”며 “그렇지 않을 경우 중국이 미국을 앞서 경제적 경쟁력과 국가 안보를 위협할 수 있다”고 경고했습니다.

현재 미국은 양자컴퓨팅 분야에서 가장 앞서가고 있습니다. 기술의 질적인 측면에서는 중국에 근소우위를 보이고 있다는 평가를 받습니다. 하지만 그 격차가 크지 않아 위기감을 가질 법도 합니다.

미국은 2018년 세계 최초로 국가 양자 이니셔티브 법을 제정해 일찌감치 양자 산업 지원에 나섰죠. 트럼프 행정부 2기에서는 국가 양자 이니셔티브 2.0 전략을 발표할 수 있다는 전망도 나옵니다.

작년 미국 상원에서는 2024년 에너지부 양자 리더십 법안도 통과됐습니다. 양당간 대립이 심한 상황에서도 양자 산업 선점을 위해 초당파적으로 법안에 합의한 것이 눈에 띕니다.

미국과 중국 뿐 아니라 주요국들의 발걸음도 빨라지고 있습니다. 일본은 2022년 양자기술을 핵심 성장산업으로 선정하고, 2040년까지의 장기 구상을 담은 ‘양자기술 혁신전략 로드맵’을 발표했습니다. EU는 2020년 2월 발표된 ‘유럽 디지털 미래 준비 전략’을 통해 2030년까지 최첨단 양자역량을 확보한다는 목표를 세웠고요.

이에 반해 한국의 양자 기술 수준은 양자 선진국에 비해 한참 뒤처진다는 것이 학계와 업계의 대체적인 평가입니다.

지난해 6월 과학기술정보통신부가 내놓은 ‘글로벌 R&D 전략지도에 따르면 양자 분야에서 한국은 최하위 점수를 받았습니다. 예산에서부터 주요국에 밀리는 형국입니다.

안보와도 밀접한 양자컴, 빠른 추격해야

주요 국가들 양자AI에 주목하는 이유는 안보와도 밀접한 관련이 있습니다.

‘사이버 보안’ 측면에서 양자AI 기술은 매우 중요한 전략적 자산이 될 수 있거든요.

매일경제와 인터뷰한 패트리스 케인 탈레스그룹 회장은 “양자컴퓨터의 등장으로 사이버 보안의 판이 새롭게 짜여지고 있다. 클라우드나 데이터센터에 거의 모든 핵심 정보가 모이는 ‘초연결’ 시대에 기존 암호체계를 완전히 무너뜨릴 수 있는 것이 양자 기술이며 앞으로 사이버 보안 분야의 핵심 화두가 될 것”이라고 내다봤죠.

컴퓨팅 속도가 엄청나게 빠른 양자컴퓨터의 특성상 기존 암호체계를 수초 안에 해독할 수 있고, 이를 활용한 사이버 공격 등으로 기존 보안체계가 위험에 빠질 수 있습니다. 이 때문에 미국 등 주요국 정부는 민감한 안보·기술 프로젝트부터 관련 암호화를 적용하는 작업에 착수했죠.

양자컴퓨터를 이용한 해킹 시도에 대비한 ‘양자 내성 암호(PQC·Post-Quantum Cryptography)’ 개발 경쟁도 벌어지고 있습니다. 양자 내성 암호는 양자컴퓨터로도 해독하는 데 수십 년이 걸리는 복잡한 연산 과정을 통해 암호를 생성하는 방식을 의미합니다.

양자컴퓨터와 AI의 결합은 단순한 기술 혁신을 넘어, 인류가 직면한 복잡한 문제를 해결할 수 있는 새로운 도구로 자리매김 할 가능성이 큽니다.

상당수 전문가들은 2030년대 중반까지 양자 AI가 상용화되어 의료, 금융, 과학 연구 등 다양한 분야에서 실질적인 변화를 이끌 것으로 내다보고 있습니다.

이 과정에서 에너지 효율성, 문제 해결 능력, 데이터 분석의 정확도 등이 비약적으로 향상되며, 인간의 삶은 물론 산업 구조 전반에 깊은 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 늘 그렇듯 우리에게 주어진 시간이 많지 않습니다. 새롭게 출범할 정부에서 ‘양자AI’ 육성을 위한 로드맵을 그려주길 기대합니다.

<황순민 기자의 ‘더테크웨이브’> 연재를 시작합니다. 기술(Tech)이 세상을 더 나은 곳으로 만들리라 믿습니다. 혁신적인 서비스로 인류를 진보시키는 최신 기술 동향과 기업 사례를 소개하겠습니다. 네이버 기자페이지를 구독하시면 다음 기사를 쉽게 받아보실 수 있습니다.

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