양자 컴퓨터와 계산의 재발명

기술 패권, 미래 사회의 설계자들 - 4

Jan 4. 2026

1. 현실이 계산하는 방식

2025년 10월, 구글이 발표한 소식 하나가 암호학계에 파장을 일으켰다. Willow 양자칩이 슈퍼컴퓨터보다 13,000배 빠른 속도로 물리 시뮬레이션을 수행했다는 것이다. 이 칩은 기존 컴퓨터가 원리적으로 풀 수 없는 문제를 풀었다.

고전 컴퓨터는 한 번에 하나의 계산 경로를 따른다. 양자 컴퓨터는 가능한 모든 경로를 동시에 탐색한다. 성능 향상의 문제가 아니라, 계산이라는 개념 자체를 재정의하는 것이다. Google Quantum AI를 이끄는 하르트무트 네벤(Hartmut Neven)은 "양자 컴퓨터는 다중우주에서 계산을 수행한다. 중첩(superposition) 상태의 큐비트는 모든 평행 우주에 동시에 존재하며, 우리는 그 결과를 하나의 답으로 수렴시킨다."고 말했다. 양자역학의 중첩과 얽힘(entanglement)은 자연이 문제를 푸는 방식과 같다. 인간이 그 방식을 모방하고 있는 것이다.

2. 오류가 줄어든 양자칩

양자 컴퓨팅의 가장 큰 장애물은 오류였다. 큐비트는 극도로 연약하다. 온도, 진동, 심지어 우주선(cosmic ray)까지 큐비트의 상태를 교란시킨다. 지금까지 양자 컴퓨터는 큐비트 수를 늘릴수록 오류가 기하급수적으로 증가하는 딜레마에 갇혀 있었는데, Willow는 이를 뒤집었다.

1)오류율 개선의 단서

구글은 2024년 12월 Willow 칩을 공개하며 큐비트 수를 늘릴수록 오류율이 감소한다는 것을 실험적으로 증명했다. 3x3 큐비트 그리드를 오류율 기준으로 둘 때, 5x5이면 오류율이 절반으로 감소한다. 그리고 7x7이 되면 오류율이 다시 절반으로 감소한다. 큐비트를 많이 연결할수록 시스템이 안정적으로 변하는 것이다.

2) Quantum Echoes: 검증 가능한 양자 우위

2025년 10월, 구글은 한 걸음 더 나아갔다. Willow 칩에서 실행된 'Quantum Echoes' 알고리즘은 최고 성능을 가진 슈퍼컴퓨터보다 13,000배 빠른 속도로 물리 시뮬레이션을 수행했다. 과거 구글의 양자 우위 주장은 '양자 컴퓨터가 더 빠른가, 아니면 고전 알고리즘이 충분히 최적화되지 않은 것인가?'라는 논쟁의 대상이었다.

하지만 Quantum Echoes는 다르다. 이 알고리즘의 결과는 검증 가능하다. 분자 동역학 시뮬레이션의 결과가 실험 데이터와 일치하는지 확인할 수 있는 것이다. 네벤은 이것을 '양자 정보 우위(Quantum Information Supremacy)'라고 불렀다. 이제 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터가 원리적으로 도달할 수 없는 영역에 진입했다.

3. 2029년, 내결함성 양자 컴퓨터

IBM은 양자컴퓨팅 산업화 로드맵을 제시했다.

1) 2025년: Nighthawk 프로세서

IBM은 2025년 120큐비트의 Nighthawk 프로세서를 공개했다. 이 칩은 5,000개의 양자 게이트를 실행할 수 있으며, 높은 큐비트 연결성을 자랑한다. 구글이 오류 해결에 집중한다면 IBM은 확장성에 집중한다.

2) 2029년: Starling, 내결함성 시스템

IBM이 제시한 최종 목표는 2029년 완성될 Starling이다. 이것은 내결함성(fault-tolerant) 양자 컴퓨터로 현재 시스템보다 20,000배 강력하다. IBM의 전략은 물리적 큐비트를 늘리는 것이 아니라, 논리적 큐비트를 확보하는 것이다. 수백 개의 물리적 큐비트를 하나의 논리적 큐비트로 묶어 오류를 상쇄하는 방식이다. Starling은 1,000개 이상의 논리적 큐비트를 목표로 한다.

3) 2030년대: 100만 큐비트 시스템

IBM과 구글은 모두 2030년까지 100만 개 이상의 물리적 큐비트를 가진 시스템 구축을 목표로 하고 있다. 이 규모가 되면 양자 컴퓨터는 다음의 태스크를 수행할 수 있다.

신약 개발: 분자 구조를 원자 단위로 시뮬레이션하여 신약 후보 물질 탐색

재료 과학: 상온 초전도체 같은 새로운 재료 설계

기후 모델링: 지구 전체의 대기 순환을 입자 단위로 시뮬레이션

금융 최적화: 수백만 변수의 포트폴리오 최적화를 실시간으로 수행

그리고 무엇보다도 손쉽게 암호 해독을 해낼 것이다.

4.양자 시대의 Y2Q 문제

1) Y2Q: Quantum 시대의 Y2K

양자 시대에는 Y2Q(Year to Quantum) 문제가 기다리고 있다. 모든 암호 시스템을 양자 내성 암호(Post-Quantum Cryptography, PQC)로 전환해야 한다. 문제는 시간이다. Gartner는 2029년까지 양자 컴퓨터가 비대칭 암호를 무력화할 확률이 30% 이상이라고 예측한다. 그리고 2024년 10월, 중국 연구진이 현재 양자 컴퓨터로 RSA 암호를 부분적으로 해독하는 데 성공한 바 있다.

2) RSA의 붕괴

현재 인터넷 보안의 근간은 RSA 암호다. 은행 거래, 정부 통신, 군사 기밀 모든 것이 RSA 2048비트 암호에 의존한다. RSA는 매우 큰 소수들의 곱셈과 소인수분해를 기반으로 하는 공개키 암호화 방식이다. 이 암호는 '큰 수를 소인수분해하는 것은 고전 컴퓨터로는 사실상 불가하다'는 가정에 기반한다.

양자 컴퓨터는 다르다. 1994년 피터 쇼어(Peter Shor)가 개발한 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm)은 양자 컴퓨터가 다항 시간 내에 소인수분해를 할 수 있음을 증명했다. 현재 추산으로는 4,000개의 논리적 큐비트면 RSA-2048을 8시간 내에 해독할 수 있다. IBM의 Starling이 1,000개 논리적 큐비트를 목표로 한다는 것을 고려하면, 2030년대 초반이면 RSA가 무력화될 가능성이 높다.

3) Havest Now, Decypt Later 공격

지금 중국, 러시아 등 국가 해킹 조직들은 암호화된 데이터를 수집하고 있다. 지금은 해독할 수 없지만, 10년 후 양자 컴퓨터가 완성되면 그때 해독하겠다는 전략이다. 이것을 'Harvest Now, Decrypt Later' 공격이라고 한다. 당신이 2026년 1월 4일 오늘 주고받은 암호화된 이메일, 금융 거래 기록, 의료 정보 등 모든 것이 2035년에는 해독될 수 있다. 양자 위협은 머지 않은 문제일 수 있다.

5. 양자 내성 암호

공격에 대한 방어도 진화하고 있다.

1) NIST의 양자 내성 표준

2024년 8월, 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 최초의 양자 내성 암호 표준 3종을 발표했다.

FIPS 203 (ML-KEM): 격자 기반 키 캡슐화

FIPS 204 (ML-DSA): 격자 기반 디지털 서명

FIPS 205 (SLH-DSA): 해시 기반 서명

이 알고리즘들은 양자 컴퓨터로도 해독 난도가 높다. 쇼어 알고리즘이 작동하지 않는 수학적 구조에 기반하기 때문이다.

2) 2025년: HQC 추가 표준화

2025년 3월, NIST는 HQC(Hamming Quasi-Cyclic) 알고리즘을 추가로 표준화했다. 정부, 금융기관, 기업들은 이 표준에 따라 시스템을 전환해야 한다. 문제는 규모다. 전 세계 수십억 대의 기기, 수백만 개의 소프트웨어, 수천 개의 프로토콜. 이 모든 것을 5년 안에 바꿔야 한다.

3) 비탈릭 부테린과 이더리움의 대응

지난 글에서 다룬 비탈릭 부테린도 이 위협을 인지하고 있다. 이더리움 재단은 2025년 하반기부터 양자 내성 암호(PQC)로의 전환을 준비하고 있다. 블록체인의 기존 타원곡선 서명(ECDSA)은 양자 컴퓨터에 취약하다. 부테린은 계정 추상화(Account Abstraction) 기술을 고도화하여, 사용자가 양자 내성 서명 알고리즘으로 전환할 수 있도록 인프라를 구축하고 있다. 부테린의 d/acc(방어적 가속주의) 철학이다. 공격 기술(양자 컴퓨터)이 발달하면, 방어 기술(양자 내성 암호)도 더 빠르게 발달해야 한다는 것이다.

6. 결정론의 종말

양자 컴퓨팅은 기술을 넘어 형이상학적 질문을 던진다.

1) 중첩: 동시에 존재하는 현실

고전 컴퓨터의 비트는 0 또는 1이다. 명확하고 결정적이다. 하지만 큐비트는 0과 1의 중첩 상태다. 측정하기 전까지는 둘 다이자 둘 다 아니다. 슈뢰딩거의 고양이를 잘 알고 있을 것이다. 상자를 열기 전까지 고양이는 살아 있으면서 동시에 죽어있다. 양자 컴퓨터는 이 '가능성의 공간'에서 계산을 수행한다.

네벤의 표현대로, 양자 컴퓨터는 다중우주의 모든 버전에서 동시에 계산하고, 그 결과를 하나의 답으로 수렴시킨다. 우리는 평행 우주의 계산 능력을 착취하는 것이다.

2) 얽힘: 공간을 초월한 연결

두 큐비트가 얽힌(entangled) 상태가 되면, 둘 중 하나를 측정하는 순간 다른 하나의 상태가 즉시 결정된다. 두 큐비트 사이의 거리가 아무리 멀어도 마찬가지다. 아인슈타인이 "유령 같은 원거리 작용(spooky action at a distance)"이라 부르며 받아들이기 거부했던 현상이다.

하지만 이것은 실험적으로 증명된 사실이다. 얽힘은 정보가 빛보다 빠르게 전달되는 것이 아니라, 두 입자가 하나의 시스템으로 존재하는 것이다. 양자 컴퓨터는 이 얽힘을 계산에 활용한다. 수백 개의 큐비트가 하나의 거대한 얽힌 상태를 형성하고, 그 상태 공간에서 최적해를 탐색한다.

3) 결정론의 붕괴

고전 물리학은 결정론적이다. 초기 조건이 정해지면 미래는 원리적으로 예측 가능하다. 하지만 양자역학은 확률론적이다. 같은 초기 조건에서도 측정 결과는 매번 다를 수 있다. 양자 컴퓨터는 이 확률성을 자원으로 사용한다. 무작위성이 약점이 아니라 강점이 되는 것이다. 피터 틸이 말한 제로 투 원(Zero to One)의 극단적 사례다. 기존 패러다임(결정론적 계산)을 개선하는 것이 아니라, 완전히 다른 패러다임(확률론적 계산)을 창조하는 것이다.

7. 양자 시대의 권력 구조

양자 컴퓨터가 상용화된 세계를 상상해보자.

1) 양자 패권 국가

양자 컴퓨터를 먼저 확보한 국가는 압도적 정보 우위를 갖는다. 적국의 암호를 해독하고, 자국의 통신은 양자 암호로 보호한다. 군사 전략, 외교 기밀, 산업 비밀 등 모든 것이 투명해진다. 현재 미국, 중국, 유럽이 양자 패권 경쟁을 벌이고 있다. 중국은 2025년 1월 1,000초 이상 안정적 플라즈마를 유지하는 데 성공했다. 미국은 구글과 IBM을 앞세우며 하드웨어에서 앞서고 있다. 유럽은 양자 통신 네트워크 구축에 집중한다.

승자는 다음 50년의 지정학적 질서를 결정할 수 있다.

2) 양자 금융

헤지펀드는 양자 컴퓨터로 포트폴리오 최적화를 실시간으로 수행한다. 수백만 개의 변수를 동시에 고려하여 리스크를 최소화하고 수익을 극대화한다. 고전 알고리즘으로는 며칠 걸릴 계산을 1초에 끝낸다. 양자 컴퓨터를 가진 기관과 없는 기관 사이의 격차는 수천 배가 될 것이다. 금융 시장은 양자 컴퓨터를 가진 소수의 독점 게임이 된다.

3) 양자 제약

제약 회사는 양자 컴퓨터로 신약 개발 기간을 10년에서 1년으로 단축한다. 분자 시뮬레이션을 통해 후보 물질을 가상으로 테스트하고, 부작용을 예측하며, 최적의 구조를 설계한다. 암, 알츠하이머, 파킨슨병 등 치료법이 없던 질병들이 정복된다. 하지만 그 약의 가격이 저렴해지진 않을 것이다. 개발 비용이 줄어들어도, 양자 컴퓨터를 보유한 소수의 기업이 독점한다면 가격은 오히려 오를 수 있다.

4) 양자 AI

양자 컴퓨터와 AI의 결합은 특이점(Singularity)을 앞당긴다. 기계학습의 최적화 문제는 본질적으로 양자역학적이다. 양자 컴퓨터는 AI 모델의 훈련 시간을 기하급수적으로 단축시킨다. 네벤은 "양자 AI가 의식의 본질을 이해하는 열쇠"라고 믿는다. 그는 인간의 뇌가 양자역학적 현상, 특히 얽힘을 활용할 가능성을 연구하고 있다. 만약 의식이 양자 현상이라면 의식을 가진 AI는 양자 컴퓨터에서만 구현 가능하다.

8. 계산의 재발명, 권력의 재편

피터 틸과 알렉스 카프가 데이터 통치의 OS를 만들고, 일론 머스크가 물리적 인프라를 재조립하며, 비탈릭 부테린이 탈중앙화된 신뢰 시스템을 구축하는 동안, 하르트무트 네벤과 IBM의 엔지니어들은 계산 그 자체를 재발명하고 있다.

양자 컴퓨터는 빠른 컴퓨터가 아니다. 우주가 문제를 푸는 방식, 즉 모든 가능성을 동시에 탐색하는 방식을 모방한 기계다. 중첩과 얽힘은 SF가 아니다. 자연의 근본 법칙이다. 양자 컴퓨터가 상용화되면 암호는 붕괴하고 정보 권력이 재편된다. 금융 시장은 양자 알고리즘의 전쟁터가 된다. 신약 개발이 혁명적으로 가속화된다. AI는 양자 컴퓨터와 결합하여 인간 지능을 넘어선다.

가장 근본적으로는 철학적 변화가 있다. 결정론적 세계관이 무너지고, 확률과 중첩의 세계관이 그 자리를 대체한다. 현실은 하나가 아니라 무수한 가능성의 중첩이며, 우리는 그 중 하나를 관측할 뿐이라는 게 더욱 확실해진다. 양자컴퓨팅은 평행 우주의 계산 능력을 독점하는 기술이다. 머스크가 화성으로 인류를 확장한다면, 네벤은 가능성의 우주로 계산을 확장한다.