양자 컴퓨터 열풍으로 인한 강세장

주식과 투자에 관한 프로그램을 진행하는 어떤 유명 방송인은 '어딘가에는 항상 강세장이 존재한다'라고 주장하기 좋아하는데, 이는 많은 투자자들의 관심을 끄는 분야가 항상 있게 마련이라는 의미입니다. 최근의 미국 주식 시장이 2008년 이후 최악의 한 해였던 것을 감안하면, 이 격언이 틀렸다는 것이 입증되었다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 요즘 강세장이라고 할 수 있는 한 가지 분야는 바로 양자 컴퓨팅에 대한 열풍입니다.

양자 컴퓨팅 열풍을 불러 일으킨 사건은 프랑스의 물리학자 Alain Aspect, 오스트리아의 Anton Zeilinger, 미국의 John Clauser가 양자 얽힘을 연구한 공로로 2022년 노벨 물리학상을 수상한 것이었습니다. 양자 얽힘은 양자 컴퓨팅의 핵심입니다.

사람들은 약간의 문제만 해결되면 양자 컴퓨터가 수학의 새로운 지평을 열고 산업용 화학 물질과 의약품 개발에 혁명을 일으킬 수 있을 것으로 믿고 있습니다. 하지만 평론가들의 상상력을 이끌어낸 분야는 양자 컴퓨팅의 어두운 면입니다. 이는 양자 컴퓨터가 현재 사용 중인 모든 암호화 프로토콜을 해킹하여 온갖 종류의 대혼란을 야기할 수 있다는 사실입니다. 암호화 키는 금융 거래 및 인기 있는 문자 메시지 앱을 포함한 대부분의 온라인 통신을 보호합니다. 실질적으로 양자 컴퓨터는 하루 안에 암호화 키를 깰 수 있습니다. 한 저명한 사이버 보안 회사의 CEO는 최근 범죄자들과 악의적인 의도를 가진 다른 사람들이 이미 '일단 저장하고 나중에 암호를 깨는' 방법으로 공격을 진행하고 있으며, 아직 만들어지지 않은 양자 컴퓨터로 향후에 암호를 해독할 수 있도록 먼저 데이터를 도용하고 있다고 보고했습니다.

미국 국토 안보부(Dept. of Homeland Security)는 이러한 종류의 암호 해독은 2030년까지 실현 가능할 것이라고 주장합니다. 이는 암호화된 독점 데이터를 많이 보유한 기업에게는 난감한 문제입니다. 군대, 정부 정보기관, 금융 기관은 아마도 양자 컴퓨팅에 대해 불안해하고 있을 것입니다. 그러므로 NIST가 국가 사이버 보안 우수 센터(National Cybersecurity Center of Excellence)를 출범시킨 것은 그리 놀라운 일이 아닙니다. 이 센터의 목표는 양자 컴퓨터가 해독할 수 없는 포스트-퀀텀 암호 기법을 개발하는 것입니다.

7년 후의 양자 컴퓨팅의 위험에 대해 과도하게 걱정하기 전에, 현재 양자 컴퓨팅의 현주소를 살펴보는 것이 도움이 될 수 있습니다. 동경 게이오 대학의 한 연구원은 현재의 양자 컴퓨팅은 1980년대 후반에 고전적 컴퓨팅이 겪었던 것과 비슷한 단계에 이르렀다고 말했습니다. 하지만 저는 그것이 너무 후한 해석이라고 생각합니다. 1980년대 후반에는 컴퓨터가 상점에서 대중에게 판매되었지만, 오늘날 양자 컴퓨터는 실험실에서만 존재하며 연구팀에 의해 작동되어야 합니다. 그리고 오늘날 양자 컴퓨터는 연산량이 작으며(가장 큰 것은 433큐비트의 IBM Osprey임), '노이지(noisy)' 합니다, 즉 거의 모든 작업에서 실패하고 있다는 의미입니다.

Google에서 개발 중인 Sycamore라는 양자 컴퓨터를 생각해 보세요. Sycamore에는 현재 54큐비트 프로세서가 탑재되어 있으며, 이 컴퓨터에 필요한 초전도 부품이 사용하기 충분할 만큼 안정화되기 전까지 최소 하루 동안은 6피트 높이의 액체 질소 실린더에 넣어 두어야 합니다. 보고에 따르면 Sycamore의 업적 중 하나는 4까지 세는 능력이라고 합니다. 그리고 Sycamore 프로세서는 평균적으로 천 단계 정도마다 오류가 발생한다고 합니다.

물론 양자 컴퓨터에서 유용한 작업을 수행하려면 천 단계보다 훨씬 더 많은 단계가 필요합니다. 양자 컴퓨터가 실행하는 알고리즘은 핵심적으로 행렬 벡터 곱셈으로 구성됩니다. 의미 있는 결과를 얻으려면 프로그램을 수만 번 실행해야 하며, 그 후 나온 산더미 같은 데이터를 신호 처리 기술을 통해 걸러내야 합니다.

결함 허용성은 양자 컴퓨터에서 큰 문제인데, 이는 오늘날의 양자 컴퓨터는 너무 많은 오류를 산출하기 때문입니다. 프로세서가 실행되는 동안 큐비트 상태를 검사하면 상황을 개선할 수 있다고 생각할 수도 있습니다. 하지만 큐비트를 측정하면 연산 성능이 저하된다는 문제가 있습니다. 또한 주의 깊은 관찰자에 의한 측정 결과만이 문제가 되는 것은 아니며, 환경과의 수많은 상호작용이 동일한 방식으로 결과를 왜곡할 수 있습니다.

일부 연구자들은 완전한 결함 허용성이 유지되는 큐비트가 1년 정도 안에 실현될 것으로 예상합니다. 그러나, 결함 허용 큐비트를 수용할 수 있는 컴퓨터는 당분간은 거대한 크기가 될 가능성이 높습니다. 예를 들어, Google은 자동차 한 대가 들어갈 차고 크기의 냉동고에 들어갈 양자 컴퓨터를 계획하고 있습니다.

이러한 요소들은 제 첫 엔지니어링 상사의 말을 떠올리게 합니다. 그는 직원 중 지나치게 낙관적인 젊은 엔지니어들에게 그들의 첫 번째 중요한 설계 프로젝트에 대해 '무슨 문제가 있는지도 모르는 수준'이라고 말하기를 좋아했습니다.

위와 같은 지적은 최첨단 암호 해독 장치의 전신이라기보다는 아직은 리서치 단계에 머물러 있는 것 같은 양자 컴퓨터에도 해당할 수 있습니다. 언젠가는 양자 컴퓨터가 국토 안보부가 우려하는 종류의 슈퍼 암호 해독 능력을 발휘하는 것을 보게 될지도 모릅니다. 하지만 제 옛 상사라면, 7년만 있으면 된다는 주장에 대해 마치 햇병아리 엔지니어들의 열정을 무시했던 것처럼 코웃음을 칠지도 모르겠습니다.