양자 컴퓨터 경쟁에서 반드시 승리해야 한다고 하는데, 왜 그럴까요?
1981년 물리학자 리처드 파인만은 양자 물리학의 원리를 활용하여 표준 컴퓨터로 수천 년 이상 걸리는 계산을 처리하는 양자 컴퓨터의 탄생을 처음으로 이론화했습니다. 하지만 그 후 40년 동안 양자 컴퓨터가 사회에 큰 영향을 미칠 만큼 연구가 크게 발전하지 못했습니다.
하지만 2023년의 획기적인 발전은 양자 컴퓨터가 새로운 시대로 접어들었다는 것을 의미하며, 이는 긍정적인 측면과 부정적인 측면으로 가득 찬 기술 혁명을 불러일으킬 수 있습니다. 긍정적인 측면에서는 양자 컴퓨터가 암을 퇴치할 수 있는 신약 개발로 이어질 수 있습니다. 하지만 부정적인 측면에서는 문자 전송부터 금융 거래에 이르기까지 우리가 하루에도 여러 번 사용하는 암호화를 깨뜨릴 수 있습니다.
그러나 이번 양자 경쟁이 역사상 미국과 적국이 맞붙은 최초의 양자 경쟁은 아니며, 과거를 통해 미국이 다가오는 컴퓨팅 혁명에서 어떻게 승리할 수 있는지에 대한 지침을 얻을 수 있습니다. 1940년대 양자 경쟁은 핵무기를 개발하고 기술 폭발을 일으켰습니다. 결정적으로 미국은 새로운 기술 경쟁에서 승리했습니다. 미국 과학자들은 최초의 핵무기를 개발했을 뿐만 아니라 레이저와 컴퓨터용 칩의 발전으로 미국을 글로벌 혁신의 본거지로 만들었습니다.
그러나 이는 정책 입안자들이 우위를 확보하는 데 필요한 자금과 지원을 제공했기 때문에 가능했던 일입니다. 반면, 2024년에는 동맹국과 적국이 양자 연구 및 개발에 수십억 달러를 쏟아붓고 있는 동안 주요 양자 자금 지원 법안이 지지부진한 상태입니다. 행동하지 않으면 미국은 특히 양자 기술의 혁명적인 힘에 대한 리더십에서 뒤처질 위험이 있다는 것을 역사는 보여주고 있습니다.
양자 물리학은 1920년대와 1930년대에 유럽에서 발전했습니다. 1930년대와 1940년대에 제2차 세계대전이 발발하자 독일, 헝가리, 이탈리아의 물리학자들은 미국으로 탈출했고, 이들 중 다수가 원자폭탄을 탄생시킴과 동시에 미국을 양자 과학의 본거지로 끌어올린 맨해튼 프로젝트에 J. 로버트 오펜하이머와 그의 미국 동료들과 함께 참여했습니다.
이후 수십 년 동안 파인만과 맨해튼 프로젝트에 참여한 다른 과학자들은 양자 물리학에서 영감을 받아 미국 생활의 근간이 되는 엄청난 혁신을 이뤄냈습니다. 최초의 양자 혁명은 핵무기와 에너지, 위성 위치 확인 시스템, 레이저, 자기 공명 영상, 개인용 컴퓨터의 부상에 동력이 될 칩을 탄생시켰습니다.
소련을 비롯한 많은 국가들이 핵무기를 개발했지만, 선구적인 혁신에 있어서는 미국에 필적할 만한 국가는 없었습니다. 1957년 소련의 스푸트니크 발사와 우주 경쟁은 미국 성공의 근간이 된 과학 및 교육에 대한 연방 정부의 자금 지원을 폭발적으로 증가시켰습니다. 또한 국방부는 인터넷, 스텔스 기능, Siri와 같은 음성 비서를 개발하는 선구적이면서도 위험한 연구를 위해 중요한 후원을 제공했습니다. 이 두 기관이 힘을 합쳐 미국은 2차 세계대전 이후 수십 년 동안 전례 없는 혁신의 경지에 올랐습니다.
최초의 양자 혁명에서 탄생한 기술은 미국 국방의 핵심이 되었으며, 특히 개인용 컴퓨터의 개발과 정보 혁명을 통해 미국의 민간 생활을 재편했습니다.
그러나 1981년 개인용 컴퓨터가 미국인의 삶에 혁명을 일으키기 시작할 무렵, 파인만은 한 강연에서 그 이상의 것이 가능하다고 주장했습니다. 그는 현존하는 최고 성능의 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 처리 능력을 갖춘 양자 컴퓨터가 세상의 진정한 지식을 밝혀낼 수 있는 유일한 방법이라고 주장했습니다. 그러나 파인만은 이러한 기계를 구축하려면 엄청난 복잡성이 필요하다는 사실을 인정했습니다.
이후 40년이 지나면서 파인만의 예상이 옳았음이 증명되었습니다. 양자 컴퓨터를 설계하려면 재료와 부품뿐만 아니라 이론적으로도 엄청난 발전이 필요했습니다. 1980년대 이후 진전이 있었지만, 많은 사람들은 양자 컴퓨터가 10년에서 20년은 더 걸릴 것이라고 농담했습니다.
1994년 수학자 피터 쇼어는 양자 컴퓨터가 암호화에 사용되는 큰 소수를 계산할 수 있는 방법을 만든 알고리즘을 발견했습니다. 이러한 획기적인 발견에도 불구하고 Shor의 발견 이후 개발 속도는 빙하처럼 더디기만 했습니다. 국가안보국과 국방부, 특히 전자의 경우 지속적인 자금 지원으로 혁신을 지속해 왔지만 과학자들이 오류에 시달리지 않는 양자 컴퓨터를 만들지 못했기 때문에 결과는 고르지 않았습니다.
지난 10년 동안 IBM, Google, Microsoft와 같은 민간 기술 기업들은 양자 컴퓨팅에 상당한 투자를 해왔으며, 그 결과 이 분야는 새로운 차원의 성숙 단계로 나아가고 국가 안보와 사이버 보안에 중대한 영향을 미치는 양자 우위를 차지하기 위한 글로벌 경쟁이 가속화되었습니다.
그럼에도 불구하고 오늘날의 양자 컴퓨터는 방사선, 열 또는 부적절한 재료로 인한 정기적인 오류로 인해 아직 표준 컴퓨터의 성능을 능가하지 못하고 있습니다. 이러한 오류로 인해 과학자들은 실험을 정확하게 복제할 수 없기 때문에 양자 컴퓨터는 신약 설계와 같은 작업에 쓸모가 없습니다. 하지만 이 모든 것이 빠르게 변화하고 있습니다.
2023년 IBM과 하버드 연구팀의 발전은 오류 수정이 곧 이루어질 것이며 양자 유틸리티의 시대가 도래했음을 보여줍니다. 2023년 7월, IBM은 양자 컴퓨팅을 오랫동안 괴롭혀온 오류를 완화하는 데 진전을 이뤘다는 동료 검토를 거친 실험 결과를 발표했습니다. 몇 달 후인 12월에는 하버드 연구팀과 QuEra라는 회사가 오류 수정 기능이 강화된 양자 프로세스를 개발했다는 고무적인 실험 결과를 발표했습니다.
하지만 양자 컴퓨터의 가능성을 제한하는 오류를 완화하는 방법을 알아내려는 것은 미국 기업과 대학뿐만이 아닙니다. 지난 15년 동안 중국 물리학자들은 자국을 양자 기술 분야의 세계 리더로 만들기 위한 야심찬 프로그램을 진행했습니다. 이 프로젝트에 150억 달러 이상을 투자한 중국이 이 새로운 과학 영역에서 미국과 거의 동등하거나 더 앞서 나갈 것이라는 추산도 있습니다. 2023년에 중국 물리학자들이 미국에서 개발된 양자 컴퓨터를 능가하는 양자 컴퓨터를 만들 수 있는 인상적인 성과를 거둘 수 있다는 실험 결과가 나왔습니다.
이 영역에서 중국이 우위를 점하게 되면 그 결과는 지각 변동이 일어날 것입니다. 미국의 가장 큰 적은 미국인들이 매일 안전한 인터넷 트래픽과 메시징을 위해 사용하고 미국 정부와 동맹국들이 비밀 통신을 보호하기 위해 사용하는 암호화를 해독할 수 있게 될 것입니다. 한 기관은 이러한 역량을 갖추기까지 앞으로 6년밖에 남지 않았다고 예상합니다. 다른 추정치는 그 시기가 10년이나 남았다고 주장합니다. 하지만 그 시기는 빠르게 다가오고 있습니다.
즉, 미국은 미국 생활의 모든 영역에서 재앙적인 결과를 막기 위해 이 임박한 기술보다 앞서 나가야 합니다. 2022년 5월 백악관은 애플과 구글 같은 민간 기업의 노력과 함께 국가가 양자 암호화 이후를 준비할 계획을 발표했습니다. 그러나 의회는 2024년에 양자 연구 및 개발을 위한 획기적인 연방 자금 지원 법안을 갱신하지 못했습니다. 한편, 중국과 유럽 국가들은 양자 분야에 수십억 달러를 투자하는 데 주저하지 않고 있습니다.
2024년 양자 컴퓨팅의 혁신은 삶과 경제를 변화시킬 밝은 미래를 예고합니다. 기술은 파인만의 비전을 실현하고 이전과는 다른 방식으로 세계와 우주를 이해할 수 있는 정점에 서 있습니다. 오류를 수정하는 양자 컴퓨터는 제2의 양자 혁명을 일으킬 것이며, 21세기의 가장 가치 있는 기술 중 하나인 과학 분야에서 미국의 리더십을 지키기 위한 경쟁이 시작되고 있습니다. 이 경쟁에서 승리하기 위해 연방 정부는 양자 컴퓨팅과 센싱과 같은 기타 양자 기술 분야에서 미국의 우위를 유지하기 위해 총력을 기울여야 합니다. 이것이 바로 미국이 최초의 양자 혁명에서 승리한 방법이며, 과거의 승리에서 배우지 않기에는 너무 큰 위험이 도사리고 있습니다.
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