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이 시설에는 황금 샹들리에를 연상시키는 장비와 온도가 엄청나게 낮은 공간이 있다.

지금 내 눈앞에 있는 것은 그저 세계 최고의 성능을 자랑하는 컴퓨터가 아니다. 금융 보안과 비트코인, 정부 기밀, 세계 경제의 향방까지 좌우할 핵심 기술이다.

양자 컴퓨터는 남은 21세기, 기업 및 국가의 성패를 가를 결정적 열쇠로 여겨진다.

이곳은 캘리포니아 산타바바라에 위치한 구글의 연구 시설. 내 눈 앞에 1미터 높이로 공중에 매달린 '윌로우(Willow)'가 나타났다. 솔직히 윌로우는 내가 예상했던 모습과는 달랐다.

화면도 키보드도 없고, 공상과학 영화에 나올 법한 홀로그램이나 뇌파 인식 칩도 없었다.

대신 기름통 크기의 둥근 원반형 장비 수십 개가 검은 제어선에 연결돼 있었다. 제어선은 액체 헬륨 냉각 장치로 이어졌다. 이 장치는 양자 마이크로칩을 절대 0도보다 1000분의 1도 높은 온도로 유지해준다.

외형만 보면, 1980년대가 떠올랐다. 하지만 양자 컴퓨터 기술의 잠재력이 현실화된다면 내 앞에 있는 이 해파리 모양의 금속 구조물이 세상을 바꿔놓을 수도 있을 것이다.

구글 양자 AI 책임자인 하트무트 네벤은 나와 함께 여러 겹의 보안 장치를 지나며 "양자 AI 연구실에 오신 것을 환영한다"고 말했다.

네벤은 천재적인 기술자이자 테크노 음악 애호가다. 버닝맨 페스티벌에서 막 돌아온 듯한 복장을 즐겨 입고, 버닝맨 페스티벌을 위해 예술 작품을 디자인하기도 한다. 어쩌면 그는 평행 우주 어딘가에서는 전혀 다른 삶을 살고 있을지도 모른다. 평행 우주 이야기는 뒤에서 다시 다룰 예정이다.

그의 임무는 이론 물리학을 실제로 작동하는 양자 컴퓨터로 전환해 "기존 방식으로는 풀 수 없는 문제를 해결하는 것"이다. 그는 자신의 평가가 편향될 수 있다는 점을 인정하면서도, 현재 세계 최고 수준의 성능을 갖춘 양자 컴퓨터는 윌로우라고 말했다.

고도의 과학이 깃든 비밀의 사원

우리가 나눈 대화 상당 부분은 촬영이 금지된 이 연구실에서 공개할 수 없는 기술에 관한 것이었다. 이 핵심 기술은 수출 통제와 기밀 유지 대상이며, 상업적·경제적 우위를 확보하기 위한 글로벌 경쟁의 중심에 있다. 부품 형태부터 공급망 참여 기업까지, 사소한 차이 하나가 전략적 우위로 이어질 수 있다.

이 첨단 과학의 성지에는 캘리포니아 특유의 감각도 스며 있다. 컴퓨터에는 '야쿠시마'나 '멘도시노' 같은 이름이 붙어 있고, 현대 미술 작품도 배치되어 있다. 그래피티 스타일 벽화가 그려진 벽으로는 겨울 햇살이 쏟아진다.

네벤은 구글의 최신 양자 칩을 가리키며, 이 칩이 두 가지 중요한 이정표를 달성했다고 했다. '양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터로는 불가능한 작업을 수행할 수 있는가'에 대한 논쟁을 "단번에 끝냈다"는 것이다.

그에 따르면, 윌로우는 세계 최고 성능의 고전 컴퓨터로는 10 셉틸리언(10의 24제곱) 년이 걸릴 벤치마크 문제를 단 몇 분 만에 해결했다. 10 셉틸리언 년은 우주의 나이보다도 긴 시간이다.

이 이론적 성과는 최근 구글이 발표한 '양자 에코 알고리즘'에 적용됐다. 이 알고리즘은 기존 컴퓨터로는 불가능한 방식으로, MRI 기술과 유사한 원리를 활용해 분자 구조를 학습하도록 돕는다.

네벤은 이 윌로우 양자 칩이 "인류가 현재 직면한 수많은 문제를 해결하는 데 쓰이게 될 것"이라며 활용 가능성을 줄줄이 설명했다.

그는 "의약품을 더 효율적으로 개발할 수 있게 해줄 것이며, 식량 생산의 효율을 높이고 에너지를 생산·수송·저장하는 데도 도움이 될 것"이라고 말했다. 이어 "기후 변화와 인류의 기아 문제 해결에도 기여할 수 있다"고 덧붙였다.

또 그는 "자연을 훨씬 더 깊이 이해할 수 있게 해주고, 그 비밀을 풀어내 우리 모두의 삶을 더 나은 방향으로 바꿀 기술을 만들어낼 수 있다"고 설명했다.

일부 연구자들은 진정한 의미의 인공지능은 양자컴퓨팅 없이는 불가능하다고 보고 있다.

이곳 연구팀의 일부는 현재 사용 중인 '초전도 큐비트'에 관한 기초 연구로 최근 노벨상을 수상하기도 했다.

윌로우 칩에는 105개의 큐비트가 탑재돼 있다. 마이크로소프트의 양자컴퓨팅 프로젝트는 8개의 큐비트를 보유하고 있지만, 접근 방식은 다르다. 전 세계에서 벌어지고 있는 경쟁의 목표는 오류 없이 양자화학 계산이나 신약 설계를 수행할 수 있는 '실용 규모 컴퓨터'를 구현하기 위한 100만 큐비트 달성이다.

다만 이 기술은 극도로 취약하다는 한계를 안고 있다.

현재 이곳에서 벌어지고 있는 일은 전 세계가 주목하고 있다. 영국 국가 양자 기술 프로그램 전략자문위원회 위원장인 피터 나이트 경은 윌로우가 새로운 지평을 열었다고 평가했다.

그는 "지금까지 나온 장비들은 장난감 모델 수준으로 오류가 잦다"면서도 "윌로우는 반복적인 오류 정정이 가능하고 그 과정이 개선된다는 점을 처음으로 입증했다"고 말했다.

이 기술은 기존 예상(20년)보다 훨씬 빠르게 발전해, 7~8년 안에 1조 번의 연산을 정확히 수행하는 단계에 도달할 가능성이 있다.

인터넷과 인공지능이 21세기 초반을 정의했다면, 앞으로의 25년은 양자 컴퓨터의 시대가 될 것이라는 전망이 나오는 것은 이 때문이다.

작동 원리

수천 개의 닫힌 서랍 가운데 하나에 테니스공이 들어 있다고 가정해 보자. 고전 컴퓨터는 서랍을 하나씩 열어가며 확인한다. 반면 양자 컴퓨터는 모든 서랍을 동시에 여는 방식에 가깝다. 백 개의 문을 열기 위해 백 개의 열쇠가 필요한 기존 컴퓨터와 달리, 하나의 열쇠로 모든 문을 한꺼번에 여는 것에 비유할 수도 있다.

이 기술은 일반 소비자를 직접 겨냥하지 않는다. 휴대전화나 AI 안경, 노트북처럼 소형화될 가능성도 낮다. 그러나 성능이 기하급수적으로 향상되고 있으며, 세계 각국이 이 분야 경쟁에 본격적으로 뛰어들고 있다는 점이 중요하다.

양자 컴퓨터가 인공지능 시장에서 엔비디아의 AI 칩 사업을 위협할 수 있는지를 묻는 질문에 젠슨 황 엔비디아 최고경영자(CEO)는 "그렇지 않다"고 답했다. 그는 "양자 프로세서는 기존 컴퓨터를 대체하는 것이 아니라, 여기에 추가되는 형태가 될 것"이라고 말했다.

전문가들은 양자 기술이 국가 기밀부터 암호화폐에 이르기까지 현재 사용 중인 거의 모든 암호 체계를 해독할 잠재력을 지니고 있다고 지적한다. 피터 경은 "양자 컴퓨터의 등장은 모든 암호화 기술, 나아가 암호화폐 전반을 다시 검토하게 만들 것"이라고 말했다.

지난해 엔비디아의 한 주요 파트너사는 비트코인이 당분간은 유지될 수 있겠지만, 늦어도 2030년대까지는 더 강력한 블록체인 기술로 진화해야 할 것이라고 전망했다.

기술 업계 소식통들에 따르면, 일부 국가 기관들은 이미 '지금 수집하고, 나중에 해독한다'는 전략에 따라 국내외의 암호화된 데이터를 대규모로 저장하고 있다. 향후 세대의 기술이 발전하면 이 데이터에 접근할 수 있을 것이라는 기대에서다.

세계적 경쟁

양자 기술을 둘러싼 경쟁은 이미 전 세계적으로 본격화됐다. 특히 중국의 접근 방식은 미국과 서구권의 상업 중심 전략과는 상당히 다르다.

피터 경은 중국이 양자 기술에 투입한 총자원이 약 150억 달러에 달하며, 이는 전 세계 다른 정부 프로그램을 합한 규모와 비슷할 수 있다고 말했다.

중국은 2022년 이후 양자 분야 과학 논문 발표 수에서 다른 국가들을 앞서 왔으며, 이러한 연구는 선구적인 물리학자 판젠웨이가 주도하고 있다. 이는 베이징의 제14차 5개년 계획 핵심 과제 중 하나이기도 하다.

중국 정부는 바이두와 알리바바 등 자국 기술 기업들이 개별적으로 양자 연구를 추진하는 방식을 중단시키고, 인력과 인프라를 국영 기업에 집중시키는 전략을 택했다. 특히 양자 통신과 위성 분야에서 주도권을 확보하려는 움직임이 두드러진다.

지난해 판젠웨이는 윌로우와는 다른 접근법을 사용했지만, 유사한 기술을 기반으로 한 '주충지 3.0' 양자 컴퓨터를 개발·시험해 비슷한 성과를 거뒀다고 주장했다. 이 시스템은 가을에 상업적 사용을 목표로 공개됐다. 이러한 흐름은 제2차 세계대전 당시 최초의 핵무기 개발을 이끌었던 '맨해튼 프로젝트'나, 21세기 우주 경쟁을 떠올리게 한다.

영국 역시 양자 연구의 주요 과학적 중심지 중 하나다. 초전도 큐비트에 대한 초기 연구는 영국 과학자들에 의해 수행됐다. 현재 영국에는 이와 관련된 수십 개의 기업과 첨단 연구 프로젝트가 존재하며, 정부는 조만간 이 분야에 대규모 투자를 단행할 계획이다. 양자 기술은 경제적 가치뿐 아니라 군사적·지정학적 측면에서도 중요성이 크다. 이에 따라 영국이 이 분야에서 '세 번째 강대국'으로 부상할 수 있다는 기대도 나온다.

평행 우주

다시 윌로우 연구소 이야기로 돌아가면, 보다 근본적인 존재론적 질문이 제기된다. 지난해 네벤은 윌로우의 전례 없는 연산 속도가 다중우주의 존재를 뒷받침하는 일부 이론과 연결될 수 있다는 주장을 내놓았다. 즉, 윌로우의 성능은 평행 우주로부터 계산 능력을 끌어오는 결과일 수도 있다는 설명이다. 물론 이 해석에 동의하지 않는 과학자들도 적지 않다.

네벤은 "여전히 활발한 논쟁이 이어지고 있다"고 말했다. "실험실을 둘러보며 느꼈겠지만, 양자 컴퓨터가 강력한 이유는 하나의 클럭 사이클(컴퓨터 중앙처리장치에서 한 번의 클럭 신호가 반복되는 주기) 안에서 2의 105제곱에 달하는 조합을 동시에 다룰 수 있기 때문입니다. 그러면 이런 수많은 상태가 어디에 존재하는지에 대한 의문이 생기게 됩니다. 이 때문에 다중 세계 해석, 즉 평행 우주나 평행 현실이라는 개념을 고려해볼 수 있습니다."

그는 윌로우가 이를 입증한 것은 아니라면서도, "이 아이디어를 진지하게 검토할 필요가 있음을 시사한다"고 덧붙였다.

이 양자 컴퓨터 연구실은 기술과 성장, 그리고 글로벌 경쟁의 최전선이다. 영국 정부도 머지않아 윌로우와 중국을 따라잡기 위해 수억 달러 규모의 투자를 단행할 예정이다. 공상과학 소설처럼 들리던 기술은 이제 빠르게 우리가 체감하는 경제적 현실로 자리 잡아가고 있다.

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