[TODAY인] AI 다음 '양자기술'…양자컴퓨터 현재와 미래는?
2026년 02월 26일 오전 09:00
■ 정현석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장
[앵커]
양자컴퓨터는 제2의 인공지능 기술로 주목받고 있는데요.
양자컴퓨터 기술의 현재 수준과 미래 발전방향, 정현석 서울대 하이브리드 양자컴퓨팅센터장과 자세한 내용 알아보겠습니다.
센터장님 어서오십시오.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
안녕하세요.
[앵커]
양자컴퓨터 연산의 기본 단위는 큐비트입니다. 큐비트는 무엇이며, 일반컴퓨터의 연산단위인 비트와는 어떤 차이점이 있는지 설명 부탁드립니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
고전 정보처리의 기본 단위인 비트는, 0 또는 1 둘 중의 하나의 값만 가질 수 있습니다.
반면에 큐비트는 양자역학의 성질에 바탕을 둬 0이나 1뿐만 아니라 0과 1이 중첩되는, 즉 0도 아니고 1도 아닌, 측정 전까지 0인지 1인지 결정되지 않은 상태에 존재할 수 있는 양자 정보처리의 기본 단위입니다.
이 큐비트는 고전 비트로는 만들어낼 수 없는 다양한 양자 중첩 상태들을 만들어낼 수 있습니다.
양자컴퓨터는 이런 큐비트들 여러 개를 이용해서 특정한 문제들을 효율적으로 풀어낼 수 있는 장치입니다.
[앵커]
이 큐비트를 구현하는 게 쉽지는 않아 보이는데요. 현재 어떤 기술들이 활용되고 있는지 소개해 주시죠.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
현재 몇 가지 유력한 기술들이 경쟁하고 있습니다.
초전도체를 이용한 기술, 전자기장에 가둔 이온을 이용하는 기술, 광자를 이용하는 기술, 또 반도체와 중성원자를 이용하는 기술 등이 있습니다.
이러한 기술들이 정확한 제어성, 많은 큐비트를 다룰 수 있는 확장성, 게이트 연산 속도 등에서 장단점이 서로 다릅니다.
따라서 아직은 최종적인 승자가 결정됐다고 보긴 어렵습니다.
[앵커]
현재 양자컴퓨터의 수준은
NISQ (오류가 있는 중간 규모)로 알려졌습니다. NISQ 단계는 구체적으로 어떤 상태를 말하는 건가요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
NISQ는 상당한 수준의 노이즈 즉 오류가 여전히 있는 상황에서 정확한 숫자가 있는 건 아니지만 대략 수십에서 수백 개 규모의 큐비트를 제어하는 중간 규모 양자컴퓨터의 단계를 뜻합니다.
오류를 정정하여 정확한 연산을 구현하는 양자컴퓨터 이전의 단계라고 할 수 있습니다.
중간 규모의 큐비트를 어느 정도 수준까지는 제어합니다. 양자 컴퓨터의 고전 컴퓨터 대비 원리적 우월성도 보입니다.
그러나 누적되는 오류 때문에 정확한 논리적 연산을 하는 데는 이르지 못하는 단계입니다.
현재의 양자컴퓨터 기술이 바로 이런 NISQ 단계에 있다고 말할 수 있고, 학계와 산업계에서는 NISQ 단계에서 양자컴퓨터가 할 수 있는 일들을 계속 연구하고 있습니다.
[앵커]
양자컴퓨터의 성능을 끌어올리려면
이 양자 오류를 정정하는 게 중요할 텐데요. 어떻게 개선할 수 있는 건지요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
맞습니다. 양자 오류 정정 기술이 대단히 중요한데요. 큐비트는 기본적으로 양자 상태이기 때문에 작은 자극에도 대단히 민감해서 매우 쉽게 오류를 일으킵니다. 양자 오류 정정은 이런 큐비트에 생기는 오류를 찾아내고 정정하는 기술입니다.
정보를 담고 있는 큐비트는 언제 오류가 생길지 모릅니다. 그렇기 때문에 많은 수의 보조 큐비트를 이용해서 오류가 언제 어디서 일어나는지를 감시하고 오류가 일어났을 경우에 적절한 정정을 해 주는 방식입니다.
오류가 많이 일어날수록 이를 정정하기 위해 많은 수의 보조 큐비트들과 복잡한 추가적인 연산이 필요합니다.
따라서 양자 오류 정정은 쉽지 않은 기술이고, 큐비트의 물리적 오류율을 낮추는 기술적 발전이 한 면으로 필요하고요. 또 다른 면으로 효율적인 오류 정정을 위한 정교한 이론적 설계, 이 두 가지가 모두 필요한 작업입니다.
[앵커]
그렇군요.
NISQ 단계에서 오류가 없는 단계로 나아가려면 궁극적으로 상용화 수준의 양자컴퓨터로 볼 수 있는 건지요? 이렇게 되면 처리 수준은 어느 정도인가요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
물론 오류를 없애면 매우 이상적인 양자컴퓨터가 되겠죠. 그런데 현실적으로 오류를 완벽하게 없애기는 어렵고요. 필요한 정도의 정확성을 얻어낼 때까지 충분히 정정하는 수준에 이르는 것이 궁극적인 목표인데요.
이를 결함 허용 양자컴퓨팅 혹은 결함 허용 양자컴퓨터(fault-tolerant quantum computer)라고 부릅니다.
이는 큐비트에서 일어나는 물리적 오류를 계속 정정해서 최종적 연산의 정확도를 원하는 정도까지 높일 수 있는 양자컴퓨터를 말합니다.
이런 최종 단계 양자컴퓨터가 나오게 된다면 현재 쓰이고 있는 암호 시스템의 상당 부분을 무력화하는 것도 가능해질 것입니다.
물론 이것은 현존하는 슈퍼컴퓨터로도 할 수 없는 일이죠. 그러나 이것은 언제 도달할지 예측하기 어려운, 기술적 난이도가 상당히 높은 문제입니다.
[앵커]
그렇군요. 양자 기술에 대해서 저희가 이야기를 나누고 있는데, 양자 기술은 인공지능 다음 기술로 주목받고 있잖아요. 양자컴퓨터가 잘할 수 있는 분야에는 어떤 것들이 있는지 구체적인 예시를 들어서 설명 부탁드립니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
아마 가장 잘 알려진 것은 아마도 양자컴퓨터가 일부 공개키 암호를 깨뜨릴 수 있다는 것이겠죠.
그러나 이것은 앞서 말씀드렸듯이 높은 수준의 오류 정정이 필요한 정확한 계산의 영역이기 때문에 실제 구현되기까지는 아마도 상당한 시간이 필요하지 않을까 생각하고요.
그런데 양자컴퓨터는 오류를 완전히 정정하지 못하는 상황에서도 특정 물리계 시뮬레이션이나 근사적 추정 등의 문제에 있어서 고전 컴퓨터보다 우월성을 보이는 경우가 있습니다.
예를 들어서 양자역학적 특성을 가지는 물질의 미시적 구조를 추정하는 데는 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 상당한 강점을 가질 수 있습니다.
이는 신약이나 신소재 개발 분야에서 상용화로 이어질 수 있는 잠재력이 있다고 할 수 있습니다.
[앵커]
의학 분야까지도 가능한 것이군요.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
이제 그런 것도 기대하고 있죠.
[앵커]
양자컴퓨터가 상용화되면 기존 컴퓨터가 무용지물이 되는 것은 아닐까 우려도 있습니다. 또 한때 양자컴퓨터로 암호화폐 체계를 무력화할 수도 있다는 말이 나오기도 했는데, 이 부분에 대해서 어떻게 보십니까?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
양자컴퓨터가 상용화된다고 해서 기존 컴퓨터가 무용지물이 되는 것은 결코 아닙니다.
양자컴퓨터는 '전 분야 만능'이 기계가 아니고요. 그러한 장치가 아니라 양자적 특성에 맞는 문제와 만났을 때 진가가 극단적으로 발휘될 수 있는, 특정 문제·과제에 특화된 장치라고 할 수 있습니다.
말씀드린 암호해독, 시뮬레이션을 통한 추정이라든지 최적 경로 탐색 같은 문제 등이 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가할 가능성이 있는 문제들입니다.
이런 문제들을 제외하고는 고전 컴퓨터를 사용하는 것이 비용 면에서 여전히 효율적일 것이라고 생각하고요.
암호 화폐 체계를 무력화하는 것은 이론적으로는 가능하지만, 어느 정도까지는. 현재의 기술 단계를 고려했을 때는 다소 먼 이야기라고 생각합니다.
[앵커]
새 정부가 인공지능 정책을 강력하게 추진하고 있는데, 인공지능과 양자컴퓨터의 접목도 주목받고 있습니다. 인공지능이 양자컴퓨터 개발에 도움이 될 수 있는 건지요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
그렇기도 하고 아니기도 한데요.
사실 현재의 인공지능 기술이 양자컴퓨팅의 발전을 위해 극복해야 할 근본적인 물리적 문제를 풀어주는 기술은 아닙니다. 양자 기술은 물리적인 한계에 도전하는 기술이기 때문에 조금 맥을 달리 하는 부분이 있습니다.
다만 인공지능이 양자컴퓨터 개발 과정의 여러 공학적 문제를 효율화하는 데 유용한 도구로 쓰일 수는 있습니다.
인공지능이 실험데이터를 학습해서 실험 장치를 세팅하기 위해 더 좋은 제어 조건을 찾아줄 수 있고요.
또 양자 오류 정정 과정에서 중간 측정 결과를 가지고 어떤 오류가 났는지 추정하는 과정이 있는데, 이러한 추정을 인공지능으로 더 빠르고 효과적으로 하려는 연구도 있습니다.
이런 면에서 AI가 양자컴퓨팅 기술의 발전에 도움을 줄 수는 물론 있다고 생각합니다. 저는 앞으로의 미래는 양자컴퓨터와 AI를 포함하는 고전 컴퓨터가 공존하는 모습이 아닐까 생각을 해봅니다.
[앵커]
네, 알겠습니다. 지금까지 정현석 서울대 양자컴퓨팅센터장과 함께 이야기 나눠봤습니다.
오늘 말씀 고맙습니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
감사합니다.
[앵커]
양자컴퓨터는 제2의 인공지능 기술로 주목받고 있는데요.
양자컴퓨터 기술의 현재 수준과 미래 발전방향, 정현석 서울대 하이브리드 양자컴퓨팅센터장과 자세한 내용 알아보겠습니다.
센터장님 어서오십시오.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
안녕하세요.
[앵커]
양자컴퓨터 연산의 기본 단위는 큐비트입니다. 큐비트는 무엇이며, 일반컴퓨터의 연산단위인 비트와는 어떤 차이점이 있는지 설명 부탁드립니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
고전 정보처리의 기본 단위인 비트는, 0 또는 1 둘 중의 하나의 값만 가질 수 있습니다.
반면에 큐비트는 양자역학의 성질에 바탕을 둬 0이나 1뿐만 아니라 0과 1이 중첩되는, 즉 0도 아니고 1도 아닌, 측정 전까지 0인지 1인지 결정되지 않은 상태에 존재할 수 있는 양자 정보처리의 기본 단위입니다.
이 큐비트는 고전 비트로는 만들어낼 수 없는 다양한 양자 중첩 상태들을 만들어낼 수 있습니다.
양자컴퓨터는 이런 큐비트들 여러 개를 이용해서 특정한 문제들을 효율적으로 풀어낼 수 있는 장치입니다.
[앵커]
이 큐비트를 구현하는 게 쉽지는 않아 보이는데요. 현재 어떤 기술들이 활용되고 있는지 소개해 주시죠.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
현재 몇 가지 유력한 기술들이 경쟁하고 있습니다.
초전도체를 이용한 기술, 전자기장에 가둔 이온을 이용하는 기술, 광자를 이용하는 기술, 또 반도체와 중성원자를 이용하는 기술 등이 있습니다.
이러한 기술들이 정확한 제어성, 많은 큐비트를 다룰 수 있는 확장성, 게이트 연산 속도 등에서 장단점이 서로 다릅니다.
따라서 아직은 최종적인 승자가 결정됐다고 보긴 어렵습니다.
[앵커]
현재 양자컴퓨터의 수준은
NISQ (오류가 있는 중간 규모)로 알려졌습니다. NISQ 단계는 구체적으로 어떤 상태를 말하는 건가요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
NISQ는 상당한 수준의 노이즈 즉 오류가 여전히 있는 상황에서 정확한 숫자가 있는 건 아니지만 대략 수십에서 수백 개 규모의 큐비트를 제어하는 중간 규모 양자컴퓨터의 단계를 뜻합니다.
오류를 정정하여 정확한 연산을 구현하는 양자컴퓨터 이전의 단계라고 할 수 있습니다.
중간 규모의 큐비트를 어느 정도 수준까지는 제어합니다. 양자 컴퓨터의 고전 컴퓨터 대비 원리적 우월성도 보입니다.
그러나 누적되는 오류 때문에 정확한 논리적 연산을 하는 데는 이르지 못하는 단계입니다.
현재의 양자컴퓨터 기술이 바로 이런 NISQ 단계에 있다고 말할 수 있고, 학계와 산업계에서는 NISQ 단계에서 양자컴퓨터가 할 수 있는 일들을 계속 연구하고 있습니다.
[앵커]
양자컴퓨터의 성능을 끌어올리려면
이 양자 오류를 정정하는 게 중요할 텐데요. 어떻게 개선할 수 있는 건지요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
맞습니다. 양자 오류 정정 기술이 대단히 중요한데요. 큐비트는 기본적으로 양자 상태이기 때문에 작은 자극에도 대단히 민감해서 매우 쉽게 오류를 일으킵니다. 양자 오류 정정은 이런 큐비트에 생기는 오류를 찾아내고 정정하는 기술입니다.
정보를 담고 있는 큐비트는 언제 오류가 생길지 모릅니다. 그렇기 때문에 많은 수의 보조 큐비트를 이용해서 오류가 언제 어디서 일어나는지를 감시하고 오류가 일어났을 경우에 적절한 정정을 해 주는 방식입니다.
오류가 많이 일어날수록 이를 정정하기 위해 많은 수의 보조 큐비트들과 복잡한 추가적인 연산이 필요합니다.
따라서 양자 오류 정정은 쉽지 않은 기술이고, 큐비트의 물리적 오류율을 낮추는 기술적 발전이 한 면으로 필요하고요. 또 다른 면으로 효율적인 오류 정정을 위한 정교한 이론적 설계, 이 두 가지가 모두 필요한 작업입니다.
[앵커]
그렇군요.
NISQ 단계에서 오류가 없는 단계로 나아가려면 궁극적으로 상용화 수준의 양자컴퓨터로 볼 수 있는 건지요? 이렇게 되면 처리 수준은 어느 정도인가요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
물론 오류를 없애면 매우 이상적인 양자컴퓨터가 되겠죠. 그런데 현실적으로 오류를 완벽하게 없애기는 어렵고요. 필요한 정도의 정확성을 얻어낼 때까지 충분히 정정하는 수준에 이르는 것이 궁극적인 목표인데요.
이를 결함 허용 양자컴퓨팅 혹은 결함 허용 양자컴퓨터(fault-tolerant quantum computer)라고 부릅니다.
이는 큐비트에서 일어나는 물리적 오류를 계속 정정해서 최종적 연산의 정확도를 원하는 정도까지 높일 수 있는 양자컴퓨터를 말합니다.
이런 최종 단계 양자컴퓨터가 나오게 된다면 현재 쓰이고 있는 암호 시스템의 상당 부분을 무력화하는 것도 가능해질 것입니다.
물론 이것은 현존하는 슈퍼컴퓨터로도 할 수 없는 일이죠. 그러나 이것은 언제 도달할지 예측하기 어려운, 기술적 난이도가 상당히 높은 문제입니다.
[앵커]
그렇군요. 양자 기술에 대해서 저희가 이야기를 나누고 있는데, 양자 기술은 인공지능 다음 기술로 주목받고 있잖아요. 양자컴퓨터가 잘할 수 있는 분야에는 어떤 것들이 있는지 구체적인 예시를 들어서 설명 부탁드립니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
아마 가장 잘 알려진 것은 아마도 양자컴퓨터가 일부 공개키 암호를 깨뜨릴 수 있다는 것이겠죠.
그러나 이것은 앞서 말씀드렸듯이 높은 수준의 오류 정정이 필요한 정확한 계산의 영역이기 때문에 실제 구현되기까지는 아마도 상당한 시간이 필요하지 않을까 생각하고요.
그런데 양자컴퓨터는 오류를 완전히 정정하지 못하는 상황에서도 특정 물리계 시뮬레이션이나 근사적 추정 등의 문제에 있어서 고전 컴퓨터보다 우월성을 보이는 경우가 있습니다.
예를 들어서 양자역학적 특성을 가지는 물질의 미시적 구조를 추정하는 데는 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 상당한 강점을 가질 수 있습니다.
이는 신약이나 신소재 개발 분야에서 상용화로 이어질 수 있는 잠재력이 있다고 할 수 있습니다.
[앵커]
의학 분야까지도 가능한 것이군요.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
이제 그런 것도 기대하고 있죠.
[앵커]
양자컴퓨터가 상용화되면 기존 컴퓨터가 무용지물이 되는 것은 아닐까 우려도 있습니다. 또 한때 양자컴퓨터로 암호화폐 체계를 무력화할 수도 있다는 말이 나오기도 했는데, 이 부분에 대해서 어떻게 보십니까?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
양자컴퓨터가 상용화된다고 해서 기존 컴퓨터가 무용지물이 되는 것은 결코 아닙니다.
양자컴퓨터는 '전 분야 만능'이 기계가 아니고요. 그러한 장치가 아니라 양자적 특성에 맞는 문제와 만났을 때 진가가 극단적으로 발휘될 수 있는, 특정 문제·과제에 특화된 장치라고 할 수 있습니다.
말씀드린 암호해독, 시뮬레이션을 통한 추정이라든지 최적 경로 탐색 같은 문제 등이 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터를 능가할 가능성이 있는 문제들입니다.
이런 문제들을 제외하고는 고전 컴퓨터를 사용하는 것이 비용 면에서 여전히 효율적일 것이라고 생각하고요.
암호 화폐 체계를 무력화하는 것은 이론적으로는 가능하지만, 어느 정도까지는. 현재의 기술 단계를 고려했을 때는 다소 먼 이야기라고 생각합니다.
[앵커]
새 정부가 인공지능 정책을 강력하게 추진하고 있는데, 인공지능과 양자컴퓨터의 접목도 주목받고 있습니다. 인공지능이 양자컴퓨터 개발에 도움이 될 수 있는 건지요?
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
그렇기도 하고 아니기도 한데요.
사실 현재의 인공지능 기술이 양자컴퓨팅의 발전을 위해 극복해야 할 근본적인 물리적 문제를 풀어주는 기술은 아닙니다. 양자 기술은 물리적인 한계에 도전하는 기술이기 때문에 조금 맥을 달리 하는 부분이 있습니다.
다만 인공지능이 양자컴퓨터 개발 과정의 여러 공학적 문제를 효율화하는 데 유용한 도구로 쓰일 수는 있습니다.
인공지능이 실험데이터를 학습해서 실험 장치를 세팅하기 위해 더 좋은 제어 조건을 찾아줄 수 있고요.
또 양자 오류 정정 과정에서 중간 측정 결과를 가지고 어떤 오류가 났는지 추정하는 과정이 있는데, 이러한 추정을 인공지능으로 더 빠르고 효과적으로 하려는 연구도 있습니다.
이런 면에서 AI가 양자컴퓨팅 기술의 발전에 도움을 줄 수는 물론 있다고 생각합니다. 저는 앞으로의 미래는 양자컴퓨터와 AI를 포함하는 고전 컴퓨터가 공존하는 모습이 아닐까 생각을 해봅니다.
[앵커]
네, 알겠습니다. 지금까지 정현석 서울대 양자컴퓨팅센터장과 함께 이야기 나눠봤습니다.
오늘 말씀 고맙습니다.
[정 현 석 / 서울대 양자컴퓨팅센터장]
감사합니다.
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