"2만번 학습을 26번으로"…양자컴퓨터의 충격적 학습 효율
소프트웨어정책연구소(SPRI)가 양자컴퓨팅과 인공지능(AI) 융합 기술의 발전 가능성을 분석한 보고서를 발표했다. 보고서에 따르면, 최근 차세대 컴퓨터로 불리는 양자컴퓨터 기술이 눈에 띄는 발전을 보이고 있다. 구글은 105개의 양자비트를 가진 '윌로우(Willow)' 칩을 선보였고, IBM은 세계 최초로 1,121개 양자비트를 가진 '콘도르(Condor)' 칩을 공개했다. 양자비트는 기존 컴퓨터의 0과 1 정보 단위와 달리 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 특별한 정보 저장 방식이다. 이렇게 하드웨어가 발전하면서 그동안 연구실에서만 실험되던 양자컴퓨터가 실제 사용 가능한 기술로 한 걸음 다가섰다. 특히 인공지능(AI) 기술을 활용해 양자컴퓨터의 기술적 문제들을 해결하면서 상용화 시기를 크게 앞당기고 있다. 구글이 최근 발표한 'AI 오류 수정 시스템'이 대표적인 성과다. 양자컴퓨터는 외부 환경에 매우 민감해 작은 진동이나 온도 변화만으로도 계산 오류가 발생하는데, AI가 이런 오류를 실시간으로 찾아내고 고치는 기술을 개발한 것이다. AI가 양자컴퓨터 돕고, 양자컴퓨터가 AI 가속화하는 '윈윈' 관계 양자컴퓨터와 AI의 협력은 두 방향으로 나뉜다. 먼저 'AI가 양자컴퓨터를 돕는' 방식에서는 AI가 양자컴퓨터의 복잡한 설계와 오류 수정을 담당한다. 반대로 '양자컴퓨터가 AI를 돕는' 방식에서는 양자컴퓨터의 빠른 계산 능력으로 AI 학습 속도를 크게 높인다. 현재는 AI가 양자컴퓨터 개발을 돕는 단계가 더 현실적이다. 양자컴퓨터 하드웨어가 아직 초기 단계여서 AI 학습에 직접 활용하는 것은 대부분 컴퓨터 시뮬레이션 수준에 그치고 있기 때문이다. 하지만 양자컴퓨터를 AI 개발에 활용한 연구 결과들이 놀라운 성과를 보이고 있다. 특정 문제에서 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 계산이 가능한 양자컴퓨터의 장점을 활용해 양자 머신러닝, 양자 신경망 등이 연구되고 있다. 실제 실험에서 기존 AI 모델이 2만 번 학습해야 도달하는 성능을 양자컴퓨터 기반 AI 모델은 단 26번 학습으로 달성한 사례도 보고됐다. 또한 양자컴퓨터는 기존 방식으로는 처리하기 어려운 복잡한 데이터 구조를 효과적으로 파악할 수 있어 새로운 AI 발전 가능성을 제시하고 있다. 상용화까지 넘어야 할 산... 100만 개 양자비트와 완벽한 오류 제어 필요 현재 양자컴퓨터는 '노이즈가 섞인 중간 규모' 단계에 있다. 쉽게 말해 계산은 할 수 있지만 오류가 많이 발생하는 상태다. 실용적인 양자컴퓨터가 되려면 '오류 없는 안정적인' 단계로 발전해야 한다. 전문가들은 양자컴퓨터가 실제로 유용한 계산을 하려면 최소 100만 개의 양자비트가 필요하다고 본다. 현재 가장 큰 IBM 칩이 1,121개이니 아직 갈 길이 멀다. 또한 대규모 양자비트에서도 오류 없이 계산할 수 있는 기술 개발이 필수적이다. 양자 AI 연구에서는 '학습이 멈추는 현상'도 해결해야 할 과제다. 양자 신경망에서 학습 과정이 평평해져서 더 이상 성능이 개선되지 않는 문제가 발생하기 때문이다. 하지만 실용적인 양자컴퓨터가 등장하면 AI와의 결합 효과가 훨씬 명확해질 것으로 전망된다. 현재 '가능성을 탐색하는' 단계에서 '실제 사용 가능한 기술'로 도약하면서 차세대 컴퓨팅 혁명이 본격화될 것으로 기대된다. 양자컴퓨터는 특정 계산에서 기존 컴퓨터보다 압도적으로 빠르기 때문에 AI 개발에서 GPU처럼 계산 가속 역할을 할 수 있을 것으로 보인다. 전 세계 기술 경쟁 치열... 스타트업이 혁신 선도 전 세계적으로 양자컴퓨터와 AI 융합 기술에 대한 관심이 폭발적으로 증가하고 있다. 유엔은 올해를 '세계 양자과학기술의 해'로 지정했고, 컨설팅 회사 맥킨지는 2035년까지 주요 4개 산업에서만 최대 2,000조원 규모의 경제 효과가 나타날 것으로 전망했다. 미국과 중국은 AI에 이어 양자 기술에서도 주도권을 잡기 위해 대규모 투자와 기술 유출 방지 정책을 동시에 추진하고 있다. 유럽연합도 2030년까지 양자 기술 선도국이 되겠다는 전략을 발표했다. 흥미로운 점은 양자컴퓨터 분야에서 스타트업들이 큰 역할을 하고 있다는 것이다. 아직 표준화된 기술이 정해지지 않은 '열린 경쟁 시장'이어서 유연하고 혁신적인 스타트업들이 기술 발전을 이끌고 있다. 이에 따라 우리나라도 양자컴퓨터와 AI 융합 기술 발전을 위한 종합 대책이 필요하다. 국가 차원의 연구개발 지원 확대, 스타트업 육성과 투자 활성화, 여러 분야 전문가를 아우르는 융합 인재 양성이 핵심 과제로 제기되고 있다. FAQ Q: 양자컴퓨터를 활용한 AI는 언제쯤 실용화될까요? A: 현재는 시뮬레이션 수준의 연구가 대부분이며, 실용적인 양자컴퓨터 하드웨어 개발이 선행되어야 합니다. 100만 큐비트 이상의 오류정정 양자컴퓨터가 개발되면 본격적인 양자 AI 시대가 열릴 것으로 예상됩니다. Q: 일반 기업도 양자컴퓨팅 AI 기술을 활용할 수 있나요? A: 현재는 주로 대기업과 연구기관에서 활용되고 있지만, 클라우드 기반 양자컴퓨팅 서비스가 확산되면서 중소기업도 접근 가능한 환경이 조성되고 있습니다. 바이오, 화학, 소재, 금융 등 다양한 산업에서 비즈니스 기회가 창출될 전망입니다. Q: 양자 AI 기술 개발에서 어떤 어려움이 있나요? A: 양자 신경망에서는 학습 과정이 평평해져서 성능 개선이 멈추는 '학습 정체' 현상이 발생합니다. 또한 양자컴퓨터와 AI 기술을 모두 이해하는 융합 전문가가 부족한 것도 큰 과제입니다. ■ 이 기사는 AI 전문 매체 'AI 매터스'와 제휴를 통해 제공됩니다. 기사는 클로드 3.5 소네트와 챗GPT를 활용해 작성되었습니다. (☞ 기사 원문 바로가기)
