“구글이 72큐비트 양자컴퓨터를 시험 중이다.” 

3월 초 ‘사이언스 뉴스’ 등 여러 외신이 보도한 내용이다. 외신에 따르면 구글은 3월 5일 열린 미국물리학회에서 ‘브리슬콘(Bristlecone)’이라는 이름의 72큐비트 양자 프로세서(양자칩)를 공개했다. ‘MIT 테크놀로지 리뷰’는 이 소식을 전하며 “72는 큰 숫자가 아닐지 모른다. 그러나 양자컴퓨터를 기준으로 말하면 그것은 거대한(massive) 숫자”라고 평했다. 

큐비트는, 양자컴퓨터는 또 뭔가. 이런 의문을 갖는다면 최근 과학기술 소식과 다소 거리를 두고 살아온 사람임에 틀림없다. 양자컴퓨터는 머잖아 인류의 삶을 크게 바꿀 것으로 기대되는 혁신 기술 중 하나다. 구글을 비롯해 IBM, 인텔, 마이크로소프트 등 세계 유수의 기업이 관련 기술 개발에 뛰어들었다. 중국은 지난해 760억 위안(약 13조 원)을 들여 세계 최대 규모의 양자연구소를 짓겠다고 발표했다. 

큐비트는 이 양자컴퓨터의 정보 단위라고 할 수 있다. 큐비트 개수가 많을수록 양자컴퓨터의 성능이 좋아진다. 구글이 과거 선보인 양자컴퓨터에는 9큐비트 양자칩이 장착됐다. 구글은 지난해 22큐비트 양자컴퓨터를 개발했다고 밝혔고, 이것을 다시 72개까지 늘린 것이다.

차원이 다른 컴퓨팅 능력

이번에는 같은 소식을 좀 더 많은 이의 관심을 끌 수 있을 만한 방식으로 소개해보자. 지난해 말 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’에 실린 한 기사 제목이다. ‘양자컴퓨터가 비트코인 보안에 즉각적인 위협이 되다.’ 



비트코인은 널리 알려진 암호화폐다. ‘암호’ 화폐라는 이름에서 알 수 있듯 강력한 암호 시스템을 기반으로 작동한다. 이른바 블록체인이다. 그런데 양자컴퓨터가 이 체계에 위협을 가할 수 있다는 얘기가 된다. 해당 기사에서 보안 전문가는 “양자컴퓨터가 10년 안에 비트코인의 보안 시스템을 깨뜨릴 것”이라고 내다봤다. 구글 등 세계 주요 기업과 정부가 양자컴퓨터 개발에 총력을 기울이면서 기술혁신 속도가 빨라지면 이 기간은 더욱 단축될 수도 있다. 

양자컴퓨터는 어떻게 이런 일을 가능하게 할까. 먼저 양자컴퓨터는 자연계에 존재하는 작은 에너지 덩어리인 양자(量子·quantum)의 특수한 성질을 이용해 연산을 수행하는 장치를 뜻한다. 양자는 한 개의 입자가 여러 속성을 동시에 가진 채(중첩) 서로 영향을 주고받는다(얽힘). 이를 이용하면 컴퓨터의 성능을 혁신적으로 개선할 수 있다. 

기존 컴퓨터에서 정보의 기본 단위인 비트는 0 아니면 1의 값을 갖는다. 그런데 양자컴퓨터의 정보 단위 큐비트(quantum bit)는 0과 1 두 개의 상태를 동시에 가질 수 있기 때문이다. 

양자역학의 특징을 소개할 때 자주 언급되는 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 사고(思考) 실험에 따르면, 보이지 않는 상자 안에 들어 있는 고양이의 생사는 상자를 열 때까지 ‘살아 있는 상태와 죽어 있는 상태가 ‘중첩’돼 있는 것’이다. 관측 시점이 돼야 비로소 이 중 하나의 상태로 확정된다. 큐비트가 0과 1 두 개의 상태를 다 갖고 있다는 것도 같은 의미다. 양자컴퓨터의 큐비트는 0인지 1인지 확정 지을 수 없는 중첩 상태로 연산을 진행한다. 이에 따라 각각의 큐비트가 표시할 수 있는 정보량이 지수함수적으로 커진다. 

예를 들어 비트 2개는 각각 0 또는 1을 의미할 뿐이지만 큐비트 2개는 00, 01, 10, 11 등 4개 값을 동시에 가질 수 있다. 큐비트가 표시할 수 있는 정보량이 3개면 8개(2의 3제곱), 4개면 16개(2의 4제곱)가 된다. 이에 따라 양자컴퓨터의 연산 속도는 큐비트 개수당 2의 n제곱배로 증가한다. 산술적으로만 따지면 큐비트가 72개인 구글의 양자컴퓨터는 2의 72제곱배 속도로 연산할 수 있는 셈이다. 큐비트 개수가 300개로 늘어나면 우주에 존재하는 원자 수보다 더 많은 양의 정보처리가 가능해진다.

양자 우위는 올까

2011년 미국 캘리포니아공대 존 프레스킬 교수는 큐비트 50개 이상의 양자컴퓨터가 개발되면 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 성능을 뛰어넘는, 이른바 ‘양자 우위(quantum supremacy)’ 시대가 열릴 것으로 전망했다. 

슈퍼컴퓨터는 연산처리 속도를 기준으로 현재 세계 500위 안에 드는 컴퓨터를 가리키는 용어다. 매년 두 번씩 열리는 ‘국제 슈퍼컴퓨팅 학술대회(ISC)’에서 이 순위를 발표하는데, 지난해 상반기 1위를 차지한 중국 슈퍼컴퓨터 ‘선웨이 타이후라이트(Sunway TaihuLight)’의 경우 연산처리 속도가 93페타플롭(pf)에 달했다. 1pf은 초당 1000조 번의 연산처리를 표시하는 단위다. 즉 ‘선웨이 타이후라이트’는 1초에 9경3000조 번 연산을 수행한다는 얘기가 된다. 이런 수준에 오른 슈퍼컴퓨터보다 성능이 훨씬 뛰어난 양자컴퓨터가 개발되면 세상에 어떤 변화가 시작될까. 

가장 먼저 꼽히는 것이 현행 암호화 시스템의 무력화다. 현재 널리 쓰이는 공인인증서 및 PKI(공개키 암호화) 등에는 RSA라는 암호화 알고리즘이 들어가 있다. 이 알고리즘은 현존하는 컴퓨터로 풀이하는 데 수십~수백 년이 걸리는 소인수분해 계산을 기반으로 한다. 그런데 발전된 양자컴퓨터는 일반 컴퓨터가 수백 년에 걸쳐 풀 만한 수준의 소인수분해도 단시간에 끝낼 가능성이 크다. 

컴퓨팅 기술 발전이 기존 암호 시스템의 허점을 찾아내는 일은 최근에도 있었다. 지난해 구글은 미국 국가안보국(NSA)이 1995년 개발한 암호 알고리즘 SHA-1을 ‘뚫었다’. 한동안 인터넷 보안 표준으로 채택돼 널리 이용된 기술이다. 그러나 구글이 클라우드에 있는 컴퓨터를 동원해 922경3372조368억 5475만 번 이상 연산을 수행한 끝에 취약점을 발견한 것으로 알려졌다. 

양자컴퓨터가 상용화되면 최근 암호화폐 기술의 핵심으로 각광받고 있는 블록체인 또한 무용지물이 될 수 있다. 블록체인은 이름 그대로 블록을 연결한 사슬 모양 구조를 의미한다. 각 블록에는 네트워크에 속해 있는 각 노드(참여자)의 거래 기록이 담겨 있다. 비트코인은 10분에 한 번씩 거래 명세를 묶어 하나의 블록을 만들고, 그 각각을 사슬처럼 이어 모든 블록에 있는 정보를 모든 참여자가 공유하도록 한다. 신규 블록은 노드 51% 이상이 타당한 거래로 확인해야만 체인에 연결된다. 비트코인 블록체인의 거래 내역을 조작하려면 하나의 블록이 형성되는 10분 안에 네트워크 참여자 51% 이상의 컴퓨터를 해킹해 데이터를 바꿔야 한다. 현재의 컴퓨팅 능력으로는 비현실적인 일로 여겨지지만 양자컴퓨터라면 얘기가 다르다. 현재 난공불락으로 여겨지는 비트코인의 ‘개인키’를 해킹하는 것도 양자컴퓨터의 발전 속도에 따라 조만간 현실이 될 수 있다. 많은 이가 구글의 72큐비트 양자컴퓨터 개발 소식에 관심을 기울이는 이유다.

양자컴퓨터가 세상에 미칠 영향

현재 ‘양자 우위’에 도전한 회사가 구글만 있는 건 아니다. 인텔은 올 1월 미국 라스베이거스에서 열린 정보기술박람회 CES에서 49큐비트 양자칩을 선보였다. IBM은 지난해 11월 50큐비트 프로세서를 이용한 양자컴퓨터를 발표한 바 있다. 그렇다면 이들 회사가 관련 제품을 판매하기 시작하는 순간 양자 우위가 실현되는 걸까. 

전문가들은 아직 실험 단계인 양자컴퓨터가 상용화되기까지는 넘어야 할 장벽이 적잖다고 본다. 현재 모든 회사가 공통적으로 겪고 있는 어려움은 ‘양자 오류’다. 양자는 외부 환경 변화에 민감한 영향을 받으며 그 결과 연산에 오류가 생길 개연성이 높다. 지난해 한국을 찾은 존 마르티니스 구글 양자컴퓨터 연구 책임자는 “구글은 이를 최소화하고자 섭씨 영하 약 270도 환경에서 전기저항이 0이 되는 ‘초전도체’를 이용해 큐비트를 만들고, 역시 극저온 상태에서 이를 제어해 양자컴퓨터를 구동한다”고 밝혔다. 그럼에도 불가피하게 발생하는 연산 오류는 다른 큐비트를 활용해 보정한다. 이 과정에는 적잖은 큐비트가 필요한 것으로 알려졌다. 프레스킬 캘리포니아공대 교수도 언론 인터뷰에서 “수천 큐비트를 연산에 쓰려면 오류 보정을 위해 수백만 큐비트가 필요할 것”이라며 ‘오류 없는 양자 컴퓨터’ 개발이 당분간은 매우 어려운 도전이 될 것임을 시사했다. 

그러나 현재의 보안 체계에 주어진 유예 기간이 아주 길지는 않을 것으로 보인다. 한국인 최초의 세계암호학회 석학회원인 김광조 KAIST 전산학과 교수는 3월 7일 KAIST에서 열린 ‘블록체인과 가상화폐 : 현실과 가상의 사이’ 워크숍에 참석해 “10년 안에 강력한 양자컴퓨터가 등장할 것”이라며 “그러면 비트코인 암호 알고리즘은 30분 만에 해독될 것이다. 세상에 영원히 안전한 암호는 없다”고 밝혔다. 

박성수 ETRI 책임연구원도 “언젠가 수백만~수천만 개 큐비트를 가진 양자컴퓨터가 탄생할 수 있다. 이 경우 초당 양자 연산 속도가 GHz급으로 개선되고, 그것은 현재의 블록체인에 큰 위협이 될 것”이라고 내다봤다.

창이냐 방패냐

주목할 것은 강력한 성능을 가진 양자컴퓨터가 무력화하는 것이 비단 블록체인 시스템만은 아니라는 점이다. 양자컴퓨터의 급성장은 비트코인 등 암호화폐뿐 아니라 현재의 보안 시스템에 기대고 있는 금융, 기록물 관리 등을 넘어 여러 국가의 안보까지 위협할 수 있는 요소다. 이 때문에 세계 각국은 양자컴퓨터 개발과 더불어 이에 뚫리지 않는 ‘양자컴퓨터 내성 암호 체계’ 개발에도 박차를 가하는 분위기다. 최근에는 양자컴퓨터에도 뚫리지 않는 보안 시스템을 갖췄다는 의미에서 ‘양자 저항 장부(Quantum Resistant Ledger)’라는 이름을 붙인 암호화폐도 개발됐다. 바야흐로 과학기술의 새로운 장이 열리고 있는 셈이다.