Qaas를 모르는 사람들 알고리즘에 나타나기로 마음먹음

Sep 27. 2025

중첩과 얽힘이 바꾸는 계산법, 양자컴퓨팅

눈에 보이지 않는 세계를 설명하는 이론인 양자역학은 1925년에 발표되어, 전 세계적으로 연구와 투자를 받는 기술이 되었다. 양자컴퓨팅은 양자역학의 원리를 바탕으로 큐비트의 중첩과 얽힘 현상을 활용하는 컴퓨팅이다.

이미지 출처: Gemini로 제작

전통적인 컴퓨터는 기본 단위인 비트가 전기 신호에 따라 0과 1 중 하나로만 표현 가능하다. 0과 1 둘 중 하나를 선택하여 직렬 계산을 수행하는 방식이다. 하지만, 양자컴퓨터는 입자가 측정되기 전까지 기본 단위인 큐비트의 상태가 중첩되어 있다고 가정한다. 큐비트는 0과 1일 수도 있으며, 0과 1이 중첩된 상태일 수 있고 이 상태로 연산이 이루어질 수도 있다. 예를 들어, 전통적인 컴퓨터에서 2비트는 0과 1이라는 값을 갖는다. 하지만, 양자컴퓨터에서 2큐비트는 00, 01, 10, 11의 네 가지 값이 중첩된다.

이는 전통적인 컴퓨터가 N개의 직렬 계산을 수행하는 동안, 양자컴퓨터가 2ⁿ의 병렬 계산을 실행할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 처리할 비트 수가 늘어날수록 양자컴퓨팅 사용자가 기존 컴퓨터 사용자보다 압도적으로 유리해진다.

다만 실제 모든 기업들이 양자컴퓨터를 운영하는 것은 비용적 한계가 있기에, 기업 자체에 양자컴퓨터 설비를 구축하는 것보다 클라우드 서비스를 활용하여 접근하게 된다. 단 시간에 복잡한 계산을 수행할 수 있는 양자컴퓨팅 리소스를 인터넷 서비스로 제공하는 양자 클라우드 서비스(QaaS)의 시대가 도래한 것이다.

클라우드로 빌려 쓰는 양자컴퓨팅, QaaS가 여는 새로운 가능성

이미지 출처: Linkedin 사이트

양자 클라우드 서비스(QaaS; Quantum Computing as a Service)는 개발자, 연구자, 기업들이 양자컴퓨팅을 직접 소유하지 않아도, 전문 클라우드 플랫폼을 통해 실제 양자컴퓨터와 시뮬레이터에 접속하여 활용할 수 있도록 서비스를 제공하는 것이다. 클라우드 컴퓨팅은 인터넷을 통해 범용 IT인프라 제공의 역할이라면, 양자 클라우드는 큐비트 기반 양자 하드웨어와 하이브리드 실행 환경 제공의 역할을 한다.

해외에서는 IBM을 비롯하여 구글(Google Quantum AI), 아마존(Amazon Braket), 마이크로소프트(Azure Quantum) 등의 빅테크 기업들이 양자컴퓨팅 서비스 제공을 위해 지속적인 투자를 하고 있다. 실제 Microsoft의 Azure Quantum Elements의 고성능 컴퓨팅을 통해, Johnson Matthey라는 영국 화학 R&D 회사의 방대한 신소재 조합 탐색 시간을 단축하여 신제품 탐색 속도를 가속화하는 역할을 했다. 지난달, Amazon Braket는 프로그램 세트 기능을 통해 회로 단순화를 통해 백엔드 처리 효율을 높여 시뮬레이터 전체 사용 비용을 25% 줄일 수 있는 기술을 선보이기도 하였다.

QaaS를 향한 관심과 투자는 국내에서도 지속되고 있다. 국내 기업인 카카오클라우드도 지난 8월, 양자 클라우드 컴퓨팅 서비스 개발을 위해 전문기업 노르마와 MOU를 체결하였다. 이원주 대표는 이번 협약을 통해, 초전도 기반 양자 클라우드부터 이온트랩 기반의 양자 클라우드까지 범위를 단계적으로 확대할 생각이라는 의향을 밝혔다.

NISQ 시대의 관문: 잡음 오류와 논리 큐비트

Mckinsey에서 양자컴퓨팅 분야 투자자들, 기술 임원, 학자들을 대상으로 한 리서치에 따르면, 응답자의 72%는 2035년까지 완전한 양자컴퓨터가 구현될 것이라고 예상했다고 답했다. 다만, 양자컴퓨팅이 기존 컴퓨터를 대체하기에는 50년 정도의 시간이 더 걸릴 것이라 추측하는 회의적인 의견도 존재한다.

이미지 출처: Nature 사이트

이는 큐비트의 작업 과정 속 연산 오류 문제가 근시일 내에 해결되기 어렵기 때문이다. 큐비트의 초기 상태 설정, 상태 유지 과정, 작업 수행 과정 등 모든 측면에서 양자 알고리즘에 오류가 생길 수 있다. 니스크(NISQ; Noisy Intermediate-Scale Quantum)는 이러한 양자 잡음 보정을 하지 못해 오류가 많이 발생하는 현상을 표현하는 용어이다.

이를 방지하기 위해, 많은 양자 하드웨어 회사는 오류 수정 역할을 하는 논리적 큐비트의 양 증진과 알고리즘 개선 방안을 연구하고 있다. 다만, 현재까지는 양자컴퓨터 큐비트의 물리적 숫자보다 실제 연산에 활용되는 논리적 큐비트의 수가 확연히 적다는 한계가 있다. 현재의 양자컴퓨터의 큐비트 수는 200~500 큐비트 정도인데, 실제 연산에 활용될 수 있는 큐비트는 수십 개밖에 되지 않는다.

Microsoft의 Azure Quantum 팀은 수년 간 토폴로지 큐비트를 연구하며, 10년 내로 안정적으로 초 당 100만 번의 양자 연산을 수행할 수 있는 양자 슈퍼컴퓨터를 구축하는 것을 목표로 삼고 있다. 토폴로지 큐비트는 ‘두 가닥을 엮어 만들어, 흔들려도 모양이 안 바뀌는 매듭’처럼 정보를 저장해, 작은 잡음에 흔들리지 않는 안정적인 양자 비트이다. 지난 2월 ‘Majorana‑1’을 공개하며 ‘각 가닥의 상태를 정확히 읽는 법’(패리티 X·Z 측정)과 ‘그를 활용한 기본 연산단계’까지 시연한 상황이다.

앞으로의 양자 클라우드의 궤적을 추측하며

출처: Mckinsey 사이트

클라우드 기반 양자컴퓨팅 시장은 2025년 기준 10억 3천만 달러, 2030년 기준 38억 9천만 달러의 시장 규모를 달성할 것으로 예측된다. 연평균 30.4% 가량 높은 성장률이 기대되는 시장으로, 각 국 정부의 지원에 따라 더 발전될 것으로 보인다.

양자 클라우드 서비스를 향한 여정은 아직 초기 단계에 있으며, 큐비트의 완전한 제어를 해결해야만 하는 NISQ 시대에 직면해 있다. 양자컴퓨팅의 진화를 위한 명확한 기술적 해결책이 제시된다면, 연구 개발을 가속화하고 세계의 또 다른 혁신을 창출하는 데 큰 기여요소가 될 것이다. 양자 클라우드 서비스를 통해 또 다른 차원으로 곧 도달할 수 있기를 바란다.