[녹색경제신문 = 문슬예 기자] 양자역학이 탄생한 지 100주년이 된 2025년, 양자컴퓨팅은 산업혁명과 인터넷 혁명을 뛰어넘을 기술로 주목받고 있다. 특히 양자칩을 직접 제조하는 회사들은 양자컴퓨팅 상용화를 향후 5년 안팎으로 예상할 정도로 낙관적인 전망을 제시 중이다. 

반면, AWS는 최근 ‘오셀롯(Ocelot)’ 양자칩을 발표했음에도 비교적 양자컴퓨팅 상용화에 대해 신중한 입장을 고수하고 있다. AWS가 양자컴퓨팅을 다루는 관점은 무엇이며, 최신 양자칩 ‘오셀롯’은 어떤 혁신을 가져올지 심층 인터뷰를 통해 살펴봤다. 

‘결함 허용 양자컴퓨터’ 중장기 목표로

AWS는 양자컴퓨터의 ‘실용성’에 중점을 두고 기술적 접근을 하고 있다고 밝혔다. 양자컴퓨팅의 기술적 성과에 대한 낙관보다는, 실질적으로 사용이 가능한 수준의 오류 제어에 도달하는 것에 초점을 맞추고 있다는 것이다. 

AWS에 따르면 현재 기술로는 천 번의 양자 연산 중 1번의 오류가 발생하고 있으며, 고전 컴퓨터는 10의 18승 번의 연산 시 한번 오류가 발생한다. 양자컴퓨팅은 10의 9승 번의 연산 중 1번의 오류가 발생하는 것이 최종 목표다. 

AWS는 ‘결함 허용 양자컴퓨터(fault-tolerant quantum computer)’의 실현을 중장기 목표로 삼는다고 밝혔다. 이는 단순히 많은 수의 큐비트를 확보하는 것이 아닌, 오류를 효율적으로 제어하고 정정할 수 있는 구조를 갖춘 양자컴퓨터를 의미한다. 

AWS는 “고객들에게 현실적인 기대치를 심어주기 위해 보수적인 접근을 취하고 있다”며 “AWS 양자 하드웨어 디렉터 오스카 페인터는 ‘가장 큰 도전은 단순히 더 많은 큐비트를 만드는 것이 아니라 그것들이 신뢰성 있게 작동하도록 만드는 것’이라고 강조했다”고 말했다. 

또한 “양자칩을 직접 제조하는 회사들은 일반적으로 투자자와 고객의 관심을 끌기 위해 더 낙관적인 전망을 제시하는 경향이 있다”며 “상용화 시점을 앞당겨 말함으로써 투자 회수 가능성을 높이려는 전략적 접근을 취할 수 있다”고 말했다. 

캣 큐비트와 양자칩 ‘오셀롯’

AWS는 오셀롯 칩이 양자칩의 고질적 난제인 오류 정정의 돌파구가 될 것으로 기대하고 있다. 특히 ‘캣 큐비트’ 중심의 접근 방식이 상용 양자컴퓨터 실현을 위한 해법이 될 수 있다는 전망이다. 

고양이 큐비트라고도 불리는 캣 큐비트(cat qubit)는 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험에서 이름을 따 온 것으로, 비트 반전 오류(bit-flip error)를 자체적으로 억제한다. 이를 통해 큐비트를 대량으로 요구하던 기존 방식에 비해 오류 정정을 위한 자원을 크게 절감할 수 있다는 설명이다. 

AWS는 오셀롯의 아키텍처가 기존에 비해 오류 정정에 필요한 자원을 최대 90%까지 줄일 것으로 기대하고 있다. 

또한 오셀롯에는 5개의 데이터 큐비트와 4개의 보조 큐비트, 총 9개의 큐비트가 탑재됐는데, AWS는 이러한 적은 수의 큐비트 만으로 다른 양자칩과 동등한 수준의 논리적 큐비트를 구현할 수 있다고 밝혔다. 일반적으로 거리 -5 표면 코드는 49개의 물리적 큐비트가 필요한 것으로 알려졌다.

AWS는 오셀롯이 △적은 수의 큐비트로 효과적인 오류 정정 구현 △새로운 아키텍처 제시 △양자컴퓨팅의 확장성 문제 해결 등 혁신적인 접근 방식을 보였다고 말했다. 오스카 페인터 디렉터에 따르면 오셀롯으로 실용적인 양자컴퓨터의 등장이 최대 5년 앞당겨질 것이라는 전망이다. 

AWS는 “수천 개의 큐비트와 수십억 개의 양자 게이트를 실행할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨터를 실현하기 위해서는 여전히 많은 기술적 과제가 남아 있어, 구체적인 시점을 단정하기는 어렵다”라며 “다만 최근 오셀롯 양자칩 개발을 비롯한 AWS의 연구 성과, 대규모 확장성과 효율성, 비용 효율적인 시스템을 구축해 온 아마존의 오랜 경험이 하드웨어에서도 효율적인 해법이 될 수 있다고 본다”고 말했다. 

한편, 마이크로소프트, IBM, 아이온큐, 퀀티넘의 수년 내 상용화가 가능하다는 낙관론부터 엔비디아의 20년은 필요하다는 신중론에 이르기까지 글로벌 IT 리더들이 양자컴퓨터 상용화 시점을 두고 의견이 분분하다. 다만 한 가지 분명한 것은 인류 문명사의 전환점이 될 가장 강력한 컴퓨팅 패러다임의 변화가 다가오고 있다는 사실이다. 

AWS 조상만 HPC 스페셜리스트 솔루션즈 아키텍트는 지난 14일 AWS 서밋 서울에서 진행된 양자컴퓨팅 관련 세션에서 “라이트 형제가 처음 비행했을 당시 고작 37m밖에 날지 못했지만 현재는 우주에도 비행기를 띄울 정도로 엄청난 기술의 발전을 이뤄냈다”며 “양자컴퓨팅 또한 가야 할 길이 멀지만 전 세계적으로 노력을 기울인다면 조만간 인류의 여러 난제를 풀 수 있을 것”이라고 말했다. 

다음은 양자컴퓨팅 상용화 시점과 양자칩 ‘오셀롯’ 관련한 AWS와의 인터뷰 전문이다.

Q: 양자컴퓨팅 상용화 시점과 관련해 IT 리더들의 의견이 극명하게 갈리는 이유가 무엇일까요? 특히 양자칩을 직접 제조하는 회사는 대체로 상용화 시점을 가깝게 얘기하는 경향이 있는데, AWS는 최근 오셀롯 양자칩을 발표했음에도 여전히 양자컴퓨팅 상용화와 관련해 비교적 보수적인 입장을 갖고 있는 것으로 보입니다. 이유는 무엇인가요?

A: 양자칩을 직접 제조하는 회사들(IBM, 마이크로소프트, 아이온큐 등)은 일반적으로 투자자와 고객의 관심을 끌기 위해 더 낙관적인 전망을 제시하는 경향이 있습니다. 이들은 양자컴퓨팅에 막대한 투자를 했기 때문에 상용화 시점을 앞당겨 말함으로써 투자 회수 가능성을 높이려는 전략적 접근을 취할 수 있습니다.

실용적인 양자컴퓨터에는 수천, 수백만 개의 큐비트가 필요하다는 점을 AWS는 명확히 인식하고 있습니다. 또한 현재의 양자 컴퓨터는 큐비트의 오류를 완전히 제거하거나 제어하기 어렵습니다. AWS는 기술적 성과에 대한 과도한 낙관보다는, ‘결함 허용 양자컴퓨터(fault-tolerant quantum computer)’의 실현을 중장기 목표로 삼고 있습니다. 이는 단순히 많은 수의 큐비트를 확보하는 것이 아니라, 오류를 효율적으로 제어하고 정정할 수 있는 구조를 갖춘 양자컴퓨터를 의미합니다.

따라서 AWS는 고객들에게 현실적인 기대치를 심어주기 위해 보수적인 접근을 취하고 있습니다. 일례로, 오스카 페인터(AWS 양자 하드웨어 디렉터)는 "가장 큰 도전은 단순히 더 많은 큐비트를 만드는 것이 아니라 그것들이 신뢰성 있게 작동하도록 만드는 것"이라고 강조했습니다.

Q: 오셀롯 발표 당시, AWS는 해당 아키텍처가 양자컴퓨팅 상용화를 최대 5년가량 앞당길 것이라고 전망했습니다. 이를 반영한 양자컴퓨팅 상용화 시점은 언제로 예상하나요? 

A: 수천 개의 큐비트와 수십억 개의 양자 게이트를 실행할 수 있는 결함 허용 양자컴퓨터를 실현하기 위해서는 여전히 많은 기술적 과제가 남아 있어, 구체적인 시점을 단정하기는 어렵습니다. 하지만 최근 오셀롯 양자 칩 개발을 비롯한 AWS의 연구 성과와, 대규모 확장성과 효율성, 비용 효율적인 시스템을 구축해 온 아마존의 오랜 경험을 바탕으로, 우리는 캣 큐비트 중심의 접근 방식이 상용 양자컴퓨터 실현을 위한 확장 가능하고 하드웨어 효율적인 해법이 될 수 있다는 점에서 낙관적으로 보고 있습니다.

Q: 오셀롯은 초전도체 방식으로 9개의 큐비트를 탑재했는데, 다른 초전도체 방식을 이용한 양자칩과 비교했을 때 큐비트 수가 적은 편입니다. 이와 관련해 양자 하드웨어로서 오셀롯의 차별점, 강점이 오류 정정 비용을 절약할 수 있다는 것에 있는 것으로 이해하면 될지, 혹은 적은 큐비트로도 타 양자칩보다 우수한 성능을 나타낼 수 있는지 궁금합니다.

A: 오셀롯의 가장 큰 강점은 오류 정정에 필요한 자원을 획기적으로 줄일 수 있다는 점입니다. AWS는 오셀롯의 아키텍처가 기존 접근 방식에 비해 오류 정정에 필요한 자원을 최대 90%까지 줄일 것으로 기대하고 있습니다. 또한 일반적인 거리-5 표면 코드는 49개의 물리적 큐비트가 필요한 반면, 오셀롯은 단 9개의 물리적 큐비트(5개의 데이터 큐비트 + 4개의 보조 큐비트)만으로 동등한 수준의 논리적 큐비트를 구현할 수 있습니다

따라서 오셀롯의 진정한 강점은 단순히 오류 정정 비용을 절약하는 것에 그치지 않습니다. 적은 수의 큐비트로도 효과적인 오류 정정을 구현할 수 있는 새로운 아키텍처를 제시함으로써, 양자 컴퓨팅의 확장성 문제를 해결하는 혁신적인 접근 방식을 보여주고 있습니다.