양자 컴퓨팅의 미래: DARPA의 양자 벤치마킹 이니셔티브(QBI)
양자 컴퓨팅은 특정 작업에서 기존 컴퓨터 시스템을 압도할 수 있는 계산 능력을 약속하며 기술 혁신의 전환점에 서 있습니다. 미국 국방부 산하 고등연구계획국(DARPA)은 2024년 7월 시작된 양자 벤치마킹 이니셔티브(QBI)를 통해 이 미래를 향한 대담한 발걸음을 내디뎠습니다. 초기 단계에 약 20개 기업을 선정함으로써, DARPA는 2033년까지 계산 가치가 비용을 초과하는 내결함성(fault-tolerant) 유틸리티 규모의 양자 컴퓨터를 구현할 수 있는지 엄격히 평가하려 합니다. 이 글은 이 야심찬 프레임워크와 선정된 기업들의 다양한 접근 방식을 바탕으로 양자 컴퓨팅의 미래를 알아보려 합니다.
참여 기업 양자 컴퓨팅 기업 목록
- 앨리스 & 밥 (Alice & Bob) — 미국 매사추세츠주 케임브리지, 프랑스 파리(초전도 cat 큐비트)
- 애틀랜틱 퀀텀 (Atlantic Quantum) — 미국 매사추세츠주 케임브리지(공동 배치된 극저온 제어 장치가 있는 플럭소늄 큐비트)
- 애틀랜틱 퀀텀 (Atlantic Quantum) — 미국 콜로라도 볼더(중성 원자 배열의 확장 가능한 큐비트)
- 디락 (Diraq) — 호주 시드니, 미국 캘리포니아 팔로알토와 매사추세츠 보스턴에서 운영(실리콘 CMOS 기반 스핀 큐비트)
- 휴렛팩커드 엔터프라이즈 (Hewlett Packard Enterprise) — 미국 텍사스 휴스턴(고급 제조 기술을 이용한 초전도 큐비트)
- IBM — 미국 뉴욕 요크타운 하이츠(모듈형 초전도 프로세서를 이용한 양자 컴퓨팅)
- 아이온큐 (IonQ) — 미국 메릴랜드주 칼리지 파크(이온 트랩 기반 양자 컴퓨팅)
- 노르 퀀틱 (Nord Quantique) — 캐나다 퀘벡주 셔브룩(보소닉 오류 수정이 적용된 초전도 큐비트)
- 옥스포드 아이오닉스 (Oxford Ionics) — 영국 옥스퍼드 및 콜로라도 볼더(이온 트랩 기반 양자 컴퓨팅)
- 포토닉 (Photonic Inc.) — 캐나다 브리티시 컬럼비아주 밴쿠버(광학 연결이 가능한 실리콘 스핀 큐비트)
- 퀀티뉴엄 (Quantinuum) — 미국 콜로라도 브룸필드(이온 트랩 기반 QCCD(양자 충전 결합 장치) 아키텍처)
- 퀀텀 모션 (Quantum Motion) — 영국 런던(MOS 기반 실리콘 스핀 큐비트)
- 큐에라 컴퓨팅 (QuEra Computing) — 미국 보스턴, 매사추세츠(중성 원자 큐비트)
- 리게티 컴퓨팅 (Rigetti Computing) — 미국 캘리포니아주 버클리(조정 가능한 트랜스몬 초전도 큐비트)
- 실리콘 퀀텀 컴퓨팅 (Silicon Quantum Computing Pty. Ltd.) — 호주 시드니(조정 가능한 트랜스몬 초전도 큐비트)
- 자나두 (Xanadu) — 토론토, 캐나다(광자 기반 양자 컴퓨팅)
DARPA의 양자 벤치마킹 이니셔티브: 혁신으로 가는 체계적인 길
QBI는 기업 간 경쟁이 아니라 상업적으로 실현 가능한 양자 컴퓨터로 가는 실행 가능한 경로를 식별하기 위한 협력적 노력입니다. A, B, C의 3단계 구조는 철저한 평가 과정을 보장합니다:
- A단계 (6개월): IBM, IonQ, QuEra Computing과 같은 혁신 기업들은 자신들의 양자 컴퓨팅 개념을 검증하기 위해 포괄적인 기술 세부 정보를 제공해야 합니다. 이들 개념은 초전도 큐비트, 트랩된 이온 큐비트, 중성 원자 큐비트, 광자 큐비트, 반도체 스핀 큐비트 등 다양한 큐비트 기술을 아우릅니다. 예를 들어, 앨리스 & 밥은 초전도 고양이 큐비트를, Diraq는 실리콘 CMOS 스핀 큐비트를 추구하며, 각기 독창적인 방식으로 내결함성 양자 컴퓨터를 구현하려 합니다.
- B단계 (1년): 성공적으로 A단계를 통과한 기업들은 연구개발(R&D) 계획의 모든 측면을 엄격히 검토받습니다. 이 단계는 단순히 단기 이정표 달성을 넘어, 10년 이내 혁신적인 기술을 구축할 수 있는 지속 가능한 계획인지 확인하는 데 중점을 둡니다.
- C단계: 최종 단계에서는 QBI의 독립 검증 및 확인(IV&V) 팀이 기업의 하드웨어, 알고리즘, 구성 요소를 실시간으로 평가합니다. 이 과정은 상업적으로 유용한 양자 컴퓨터의 실현 가능성을 철저히 검증하며, 과장된 주장을 실제 결과와 구분합니다.
QBI의 목표는 단일 승자를 찾는 것이 아니라, 유틸리티 규모의 양자 컴퓨팅으로 이어질 수 있는 모든 가능성 있는 경로를 탐색하는 것입니다. 이는 DARPA의 미탐사 시스템(US2QC) 프로그램에서 시작된 시범 사업을 확대한 것으로, 마이크로소프트와 PsiQuantum이 US2QC의 마지막 단계에 진입하며 QBI의 C단계와 동일한 목표를 추구하고 있습니다.
양자 컴퓨팅의 현재와 미래
QBI에 참여하는 18개 기업(16개 공개, 2개는 협상 중)은 양자 컴퓨팅의 다양한 기술적 접근 방식을 대표합니다. 예를 들어:
- 초전도 큐비트: IBM과 Rigetti Computing은 모듈형 초전도 프로세서와 조정 가능한 트랜스몬 큐비트를 통해 확장성과 안정성을 추구합니다.
- 트랩된 이온: IonQ와 Oxford Ionics는 트랩된 이온의 높은 충실도와 긴 코히런스 시간을 활용해 상업적 응용 가능성을 탐구합니다.
- 중성 원자: Atom Computing과 QuEra Computing은 중성 원자의 확장 가능한 배열로 대규모 양자 시스템을 구축하려 합니다.
- 광자 및 스핀 큐비트: Xanadu는 광자 양자 컴퓨팅을, Silicon Quantum Computing은 정밀 원자 큐비트를 통해 혁신을 모색합니다.
이러한 다양성은 양자 컴퓨팅의 기술적 도전 과제를 해결하는 데 중요한 역할을 합니다. 큐비트의 오류율, 스케일링, 내결함성 알고리즘은 여전히 주요 장애물로 남아 있지만, QBI의 체계적인 접근은 이러한 문제를 체계적으로 해결할 가능성을 높입니다.
양자 컴퓨팅의 미래 전망
QBI는 양자 컴퓨팅의 상업적 실현 가능성을 가속화할 잠재력을 가지고 있습니다. DARPA의 프로그램 매니저 조 알테피터는 “미국 양자 전문가들로 구성된 세계적인 수준의 IV&V 팀이 과장된 주장과 실제를 구분할 것”이라고 강조했습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 신뢰성을 높이고, 정부와 산업 간 협력을 강화하는 데 기여할 것입니다.
향후 10년 동안 QBI는 다음과 같은 영향을 미칠 것으로 예상됩니다:
- 기술적 돌파구: 다양한 큐비트 기술의 병렬적 탐구는 예상치 못한 혁신을 가져올 수 있습니다. 예를 들어, Nord Quantique의 보손 오류 정정이나 Photonic Inc.의 광학적으로 연결된 스핀 큐비트는 기존 한계를 뛰어넘을 가능성을 보여줍니다.
- 산업 응용: 유틸리티 규모의 양자 컴퓨터는 암호학, 약물 발견, 최적화 문제, 기후 모델링 등 다양한 분야에서 획기적인 변화를 일으킬 수 있습니다. QBI의 성공은 이러한 응용 프로그램의 상용화를 가속화할 것입니다.
- 글로벌 경쟁: 미국이 QBI를 통해 양자 컴퓨팅의 선두를 달리고 있지만, 중국, 유럽, 호주 등 다른 국가들도 비슷한 노력을 기울이고 있습니다. QBI의 결과는 글로벌 양자 생태계에서 미국의 위치를 강화할 수 있습니다.
결론
DARPA의 QBI는 양자 컴퓨팅의 미래를 형성하는 중대한 이정표입니다. 다양한 기술 접근법과 엄격한 검증 과정을 통해, QBI는 단순히 기술적 가능성을 탐구하는 데 그치지 않고 상업적으로 유용한 양자 컴퓨터를 현실로 만들기 위한 구체적인 로드맵을 제시합니다. 2033년까지의 여정은 도전으로 가득하지만, QBI에 참여하는 기업들의 혁신과 DARPA의 체계적인 지원은 양자 컴퓨팅의 황금기를 예고합니다. 이 노력은 기술적 진보를 넘어, 인류가 직면한 가장 복잡한 문제를 해결할 새로운 계산 패러다임을 열어줄 것입니다.
자세한 내용은 DARPA QBI 웹사이트에서 확인하세요.