양자 컴퓨팅(Quantum Computing)을 활용해 디지털 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제를 해결한다는 개념은 오랫동안 기술 업계를 열광시켜 왔지만, 여전히 많은 기업이 이를 먼 미래의 일로 여기고 있는 게 사실이다. 하지만 양자 컴퓨팅의 변곡점이 곧 다가오고 있다.
BCG는 특정 응용 사례에서 플러스 투자 수익률을 달성하는 엔터프라이즈급 양자 컴퓨팅이 빠르면 2025년 또는 2026년에 등장할 것으로 예상한다. 아직 어느 산업에서 어느 시점이 될지는 알 수 없다. 하지만 양자 역학이 기업에 실질적인 가치를 입증하는 순간 양자 컴퓨팅의 미래는 불확실성에서 피할 수 없는 현실로 바뀔 것이다. 이러한 변곡점은 모든 산업 분야의 모든 종류의 기업 투자에 활력을 불어넣을 것이다. 바로 그 순간이 양자역학에 있어서 “챗GPT(ChatGPT)”와 같은 혁신을 맞는 순간이 될 것이다.
기업들은 이제 양자 컴퓨팅의 시대를 준비해야 한다. 시대를 앞서가는 기업은 상당한 경쟁 우위를 점하게 될 것이다. 시간이 지남에 따라 양자 컴퓨팅은 금융, 제약, 농업, 물류, 화학, 첨단 소재 등 모든 산업에 영향을 미칠 것이다. 지금 당장 행동에 나서야 하는 긴급한 사이버 보안 리스크는 양자 컴퓨팅 트렌드의 또 다른 이유이다.
기술적 장애 극복하기
물론 아직은 초기 단계다. 오늘날 양자 컴퓨팅은 주로 실험실 실험에 국한되어 있으며, 양자 컴퓨팅이 널리 보급되기 전에 극복해야 할 주요 기술적 장애물도 존재한다. 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 아직 한계를 보이고 있다. 오늘날 가장 진보된 컴퓨터는 약 100개의 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 가지고 있다. 이는 기존 컴퓨터의 이진 디지털 비트와 비슷한 기본 정보 단위다. 가장 중요한 문제를 해결하기 위해서는 고품질, 연결성, 속도로 작동하는 수만 개 이상의 큐비트를 갖춘 컴퓨터가 필요하다. 양자역학의 모든 복잡성을 이해하지 않는다면, 큐비트를 제어하고 유지하기가 매우 어려울 것이다.
양자 컴퓨팅은 제작이 매우 어렵고 사용 비용도 많이 든다. 하드웨어 조립에도 박사 학위가 필요한 몇 안 되는 산업 중 하나다. 때로는 나노 단위로 매우 정밀한 측정을 할 수 있는 장비가 필요하다. 현재 전 세계에 있는 양자 컴퓨터는 수십 대에 불과하다. 계산을 실행하는 데도, 기존 컴퓨터는 몇 센트만 필요한 데 반해, 양자 컴퓨터는 시간당 수천 달러의 비용이 든다. 양자 컴퓨팅을 유용하게 활용할 수 있는 과학자와 엔지니어에 대한 수요가 공급을 훨씬 능가하는 등 인재도 부족하다.
하지만 이와 같은 문제들은 해결할 수 있다. 지난 몇 년 동안 컴퓨터 업계는 큐비트의 품질과 수를 모두 개선하는 데 있어 기적과도 같은 진전을 이뤄냈다. 예를 들어 IBM은 몇 큐비트를 넘어 수백 큐비트로의 목표를 꾸준히 달성해 왔으며, 최근 로드맵을 상향 조정하여 향후 10년 이내에 수백만 큐비트를 목표로 설정하고 있다. 하버드, MIT, 미국 국립표준기술연구소(NIST), 메릴랜드 대학의 연구팀은 양자 컴퓨터와 관련해 매우 중요하게 언급되는 또 다른 기술적 장애를 극복했다고 발표했다. 오류를 크게 줄일 수 있는 제어 가능한 ‘논리적 큐비트’를 배포하는 문제다. 한편으로는 더 많은 인재 양성도 이뤄지고 있다. 이와 함께 양자 컴퓨팅의 규모가 커질수록 비용 또한 낮아질 것이다.
첫 번째 비즈니스 활용 사례
현재로서는 근사치를 통해서만 해결할 수 있는 문제에 대해 ‘최적의 해결책’을 찾는 것이 최초의 양자컴퓨터 활용 사례가 될 가능성이 높다. 예를 들어, 양자 컴퓨팅은 근사 알고리즘의 생산성을 5~10%까지 높일 수 있다. 이를 통해 기업은 재무 포트폴리오와 자동차 공장의 생산 흐름부터 소매업체가 진열대에 진열하는 제품 조합에 이르기까지 모든 것을 더욱 효율적으로 ‘최적화’하는 것이 가능하다.
금융 분야에서 활용 가능성은 더욱 높다. 금융 산업의 대부분은 확률과 선형 대수를 다루고 있다. 예를 들어, 오늘날 은행에서 대출 포트폴리오의 위험을 평가하거나 옵션 가격을 책정하려는 경우 여러 요소의 상호 작용을 탐색하는 과정을 거친다. 그런데 기존 컴퓨터로는 가능한 모든 조합을 분석하는 것이 불가능하다. 그 때문에 은행은 몬테카를로 시뮬레이션이라는 근사 기법을 사용하고 있다. 그럼에도 디지털 컴퓨터로 은행의 대차대조표에 있는 모든 옵션에 영향을 미칠 수 있는 하나의 잠재적 시장 시나리오를 분석하는 데는 보통 꼬박 하룻밤이 걸린다. 이는 특히 상황이나 어떤 사건이 급변할 때 문제가 된다. 컴퓨터 계산이 끝났을 때는 이미 시장이 패닉 상태에 빠져 있을 수 있다. 한 투자 은행가는 2008~2009년 금융 위기 당시 “양자 컴퓨터가 있었더라면 은행의 대차대조표에 대한 다양한 시나리오를 실행할 수 있었을 것이다. 하지만 그때 우리에게는 이를 볼 수 있는 방법이 전혀 없었다.”라고 말한 바 있다.
한 투자 은행가는 2008~2009년 금융 위기 당시 “양자 컴퓨터가 있었더라면 은행의 대차대조표에 대한 다양한 시나리오를 실행할 수 있었을 것이다. 하지만 그때 우리에게는 이를 볼 수 있는 방법이 전혀 없었다.”라고 말한 바 있다.
양자 컴퓨팅을 통해 은행들은 더 나은 가격 책정과 리스크 관리를 할 수 있으며, 이는 얼리 어답터 은행에 경쟁 우위를 제공할 수 있다. 모든 대형 투자 은행이 양자 컴퓨팅 팀을 구성하고 수천만 달러를 실험에 투자하는 이유도 바로 이 때문이다.
양자 컴퓨터는 또한 신약 개발을 가속화하고 개선하는 데도 활용 가능성이 높다. 예를 들어, 2030년경에는 제약 회사들이 원자 수가 100개 이하인 분자를 신체의 질병 유발 표적에 결합하는 과제를 해결하기 위해 양자 컴퓨터를 사용할 것으로 예상된다. 이를 통해 연구자들은 만들어질 수 있는 1,015개의 소분자 모두를 효율적으로 탐색할 수 있을 것이다. 분자 발견 단계를 1~2년 단축해 더 효과적이고 임상시험의 투자수익률을 높일 수 있는 새로운 소분자를 발견할 수 있다.
양자 컴퓨팅은 기후 변화를 해결하는 데도 활용될 수 있다. 예를 들어 이산화탄소를 배출하지 않는 비료를 만들 수 있다. 오늘날 질소 비료 생산은 1909년 개발된 이후 거의 변하지 않은 하버-보슈(Haber-Bosch) 공법을 사용하는데, 이는 전 세계 천연가스의 2~3%를 소비하고 있다. 양자 컴퓨터는 공기 중의 질소를 식물이 사용할 수 있게 자연적으로 변환하는 효소인 질소화 효소를 분석해 산업적 규모로 그 과정을 복제할 수 있다. 선다 피차이(Sundar Pichai) 구글 CEO는 2030년이면 이와 같은 기술이 실현될 수 있을 것으로 예측하고 있다.
양자 컴퓨터와 알고리즘이 현재 우리가 엄두조차 낼 수 없는 큰 문제들을 해결할 수 있게 되면 사회에 더 큰 기여를 하게 될 것이다. 예를 들어, 분자가 원자 수준에서 어떻게 작동하는지 이해하고 수만 또는 수십만 개의 분자를 포함하는 전체 단백질을 합성할 수 있게 될 것이다. 이는 의학, 신소재 등 지금은 상상조차 할 수 없는 분야에서 엄청난 혁신을 가져올 수 있다.
“양자 컴퓨터와 알고리즘이 현재 우리가 엄두조차 낼 수 없는 큰 문제들을 해결할 수 있게 되면 사회에 더 큰 기여를 하게 될 것이다.”
다가오는 Y2Q 사이버 보안 위협
보안과 관련해서도 양자 컴퓨팅이 CEO의 의제에 포함되어야 하는 이유가 있다. 바로 다가오는 사이버 보안 위협 때문이다. 현재 우리가 암호화에 사용하는 대부분의 키는 기존 컴퓨터로는 해독이 불가능하다. 하지만 양자 컴퓨터에서는 가능해질 것이다. 2035년경에는 양자 시스템이 큰 소수 또는 정수를 소수로 분해할 수 있을 만큼 강력해질 것으로 예상된다. 그러면 현재 전 세계 디지털 시스템에서 사용되는 공개 키 암호화의 대부분을 해독할 수 있게 된다. 사이버 범죄자가 기업의 모든 통신 및 기밀 정보를 해독할 수도 있다는 뜻이다. 이는 대부분의 암호화폐 구조에도 적용될 수 있으므로 해커와 같은 공격자가 공개 지갑 주소에서 개인 키를 추론해 암호화폐 거래를 하는 상황이 벌어질 수도 있다.
우리가 2035년을 Y2K 버그와 유사한 Y2Q라고 부르는 것은 이 때문이다. 최근 미국이 2035년까지 모든 정부 기관이 RSA 암호화를 완전히 탈피하도록 요구한 이유이기도 하다. RSA는 지난 40년간 널리 사용돼 왔기 때문에 이는 엄청난 작업이 될 것이다. NIST가 전체 IT 인프라를 향후 몇 년 내에 의무화가 될 가능성이 높은 ‘새로운 양자 내성 암호화 표준’으로 전환하는 데는 10년 정도가 걸릴 수 있다. 따라서 기업들은 지금 이 작업을 시작해야 한다. 일부 은행 경영진은 어디서부터 시작해야 할지 모르겠다고 말하기도 한다. 하지만 다행히도 새로운 프로토콜과 기술로 이 위기를 피할 수 있다.
양자 컴퓨팅의 챗GPT 시대가 다가오고 있다. 그리고 그 순간이 오면 이를 도입할 준비가 된 기업은 강력한 경쟁 우위를 확보하게 될 것이다. 반면, 그저 그 시대를 기다리기만 하는 기업은 한정된 인재와 양자 컴퓨터 기술을 확보하는 데 혼란을 겪게 될 것이다.
