양자 연결의 개념을 설명하는 그림. 사진 제공=과학기술정보통신부

양자컴퓨터가 제대로 쓰이려면 100만, 또는 그 이상의 수백만 큐비트 성능은 돼야 한다는 게 정보기술(IT) 업계의 시각입니다. 반면 현재 개발되는 양자컴퓨터는 좋아봐야 1000큐비트 정도 성능에 그치고 있죠. 큐비트를 늘리면 그만큼 외부에서 가해지는 영향도 심해져서 계산 오류가 심해지기 때문입니다. 오류를 잘 제어하면서도 규모를 100만 큐비트까지 키우는 게 관건이죠.

단순 규모 경쟁과는 또다른 전략이 있습니다. 앞서 양자얽힘과 양자인터넷을 설명하며 언급한 적 있는 ‘양자 연결’입니다. 양자컴퓨터 칩 여러 개를 연결해서 한몸처럼 작동하게 하는 기술이죠. 과학기술정보통신부는 이달 15일 정부출연연구원의 대형 연구개발(R&D)을 지원하는 ‘글로벌톱전략연구단’의 하나로 한국표준과학연구원이 주도하는 ‘초연결 확장형 슈퍼양자컴퓨팅 전략연구단’을 선정했습니다. 2030년까지 750억 원을 들여 양자 연결 기술을 확보하고 이를 통해 1000큐비트 국산 양자컴퓨터를 개발하는 게 목표입니다.

과기정통부는 “양자 연결의 개념을 활용해 양자컴퓨터를 스케일업하는 새로운 패러다임을 제시한다”며 “양자 칩 간 연결을 통해 큐비트 규모 확장의 한계를 극복하고 양자컴퓨터 간 연결을 통해 확장형 양자컴퓨팅, 슈퍼양자컴퓨팅 기술을 구현하겠다는 것”이라고 설명했습니다. 초전도·광자 기반의 멀티코어 양자 칩 개발, 양자메모리·양자신호변환 기반 인터커넥트를 통한 양자컴퓨터 간 원거리 연결 구현을 목표로 제시했고요.

양자 칩 여러 개를 연결한다는 아이디어는 듣기엔 쉬워보이지만 아직 제대로 구현되지 못한 고난도 기술을 필요로 합니다. 양자 칩 내 큐비트 입자들 간에는 양자얽힘이 필요하다고 했죠. 양자얽힘을 다시 간단히 설명하면 두 입자가 먼 거리에서도 즉각적으로 상호작용하는 관계를 말합니다. 큐비트 입자들의 정보 상태가 서로 연동돼야 유기적으로 대규모 연산을 수행할 수 있잖아요. 양자컴퓨터는 큐비트 입자가 0과 1의 정보를 동시에 갖는 양자중첩과 함께 이 입자들이 연동되는 양자얽힘도 함께 구현돼야 합니다. 큐비트 규모가 커질수록 이것이 깨지기 쉬워지는 게 현재 양자컴퓨터 발전의 기술적 어려움이고요.

당연히 양자 칩끼리, 또 칩을 장착한 양자컴퓨터끼리의 양자얽힘을 구현하는 것은 더 어렵겠죠. 지난 편에서 양자암호통신(QKD)을 설명하면서도 언급했지만 양자 정보를 전선이나 광섬유로 전달하는 건 넌센스니까요. 큐비트 입자가 전선이나 광섬유를 타고 가는 중에 정보가 왜곡되겠죠. 최재혁 한국표준과학연구원 양자기술연구소장은 “양자컴퓨터들을 서로 전깃줄로 연결할 수는 없다”며 “보통 마이크로파를 쓰는데 문제는 마이크로파가 양자 칩 간을 이동할 때 정보가 손실되면 안 된다는 것”이라고 설명했습니다.

극저온 등 큐비트를 위한 환경이 잘 갖춰진 양자 칩 안에서 마이크로파가 정보 전달을 매개하지만 양자 칩 간 이동에서 상온에 노출되는 등 다른 영향에 노출될 수 있고 이에 정보가 깨질 수 있다는 거죠. 표준연은 마이크로파가 양자 칩 밖 상온에 노출될 때는 가시광선으로 바꿔 정보 손실을 막을 수 있는 양자 연결 방식을 찾고 있습니다.

양자 연결은 어려운 만큼 양자컴퓨터 후발주자인 한국 입장에서는 선점 기회가 남아있는 상황이기도 합다. 최 소장은 “지난해 말 미국 에너지부(DOE)도 보고서를 통해 유망 기술로 꼽은 바 있다”며 “해외에서도 아직 기술 확보가 제대로 이뤄지지 않아 한국이 경쟁에서 빠르게 치고나갈 수 있는 히든카드가 될 수 있다”고 강조했습니다.