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中美 양자컴퓨팅 기술 개발 경쟁 가속화
CSF 2024-12-26
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☐ 미국과 중국 연구진이 양자 오류 교정 기술에서 괄목할 만한 성과를 거두며 양자컴퓨팅 상용화에 한 걸음 다가서고 있음. 구글은 105큐비트 '윌로우' 칩에서 표면 코드 임계값 이하의 오류 교정을 구현했고, 중국은 '주충즈 3.0'으로 구글과의 기술 격차를 좁히고 있음. 양국 간 경쟁이 치열해지자 미국은 동맹들과 함께 양자컴퓨팅 부문에서 중국에 대한 투자와 수출을 제한하기 시작함. 이로 인해 알리바바와 바이두 등 중국 IT 기업들은 양자컴퓨팅 사업을 포기했으며, 관련 연구는 주로 대학과 연구소 중심으로 이뤄지고 있음.
◦ 구글 양자컴퓨터, 획기적 성과... ‘오류 교정’ 난제 해결 진전
- 12월 9일 구글이 발표한 최신 양자컴퓨터 칩 '윌로우(Willow)'는 기존 슈퍼컴퓨터가 10의 25승 년이 걸리는 연산을 5분 만에 처리할 수 있음. 더욱 주목할 만한 성과는 표면 코드 임계값 이하의 양자 오류 교정을 실현했다는 점임.
- 2019년 구글은 '양자 우월성(Quantum Supermacy)'을 달성했다고 발표하였음. 무작위 회로 샘플링(Random Circuit Sampling) 작업에서 양자컴퓨터는 200초 만에 문제를 해결했으나, 기존 컴퓨터는 같은 문제 해결에 1만 년이 필요할 것으로 예측됨.
- 2024년 8월 출시된 105개 큐비트의 윌로우 칩에서 연구진은 거리 3의 표면 코드 9개, 거리 5의 표면 코드 4개, 거리 7의 표면 코드 1개를 구현하였음. 데이터 분석 결과, 표면 코드 거리가 3에서 5, 7로 확장될 때마다 인코딩 오류율이 2.14배씩 지수적으로 감소함.
- 윌로우 칩은 이전 세대인 '시카모어(Sycamore)' 대비 작동 충실도가 2배 향상되었으며, 인코딩 오류율은 20배 가까이 개선되었음. 이는 더 많은 논리적 큐비트 구축을 통해 더 높은 성능과 더 낮은 오류율, 더 긴 큐비트 수명을 실현할 수 있는 이론적 기반을 제공함.
- 구글 양자 AI 연구소의 하트무트 네븐(Hartmut Neven) 소장은 양자컴퓨터의 연산 능력이 이중 지수적으로 성장할 것이라 예측함. 구글은 향후 물리적 큐비트 수를 1,000개 이상으로 늘리고, 100만 회 연산 중 오류를 1회 미만으로 줄이는 것을 목표로 하고 있음.
◦ 中 주충즈 3.0 초전도 양자컴퓨터 개발...美 양자 컴퓨팅 기술 추격
- 중국과기대(中科大) 루차오양(陆朝阳)·판젠웨이(潘建伟) 연구팀은 2020년 12월 전용 양자컴퓨터 '지우장(九章)'으로 가우시안 보손 샘플링 문제를 해결해 당시 최고 성능 슈퍼컴퓨터보다 100조 배 빠른 연산 속도를 달성함. 이로써 중국은 미국에 이어 세계에서 두 번째로 '양자 우월성'을 입증한 국가가 되었음.
- 2021년 6월에는 66개 큐비트를 탑재한 초전도 양자컴퓨터 '주충즈 2호(祖冲之二号)'로 무작위 회로 샘플링(RCS) 과제를 1.2시간 만에 해결함. 이는 당시 최고 성능의 슈퍼컴퓨터가 8.2년이 걸리는 작업으로, 약 1,000만 배 빠른 속도임.
- 2022년 중국과기대 연구팀은 '주충즈 2.1호'를 개발해 거리 3의 표면 코드 반복 오류 교정을 최초로 구현하였음. 이는 오류 교정을 하지 않았을 때와 비교해 논리적 오류율을 20% 감소시킨 것임.
- 2023년 3월 남방과기대(南方科大) 위다펑(俞大鹏) 연구팀은 보손 인코딩 기반 양자 오류 교정 방안으로 양자 오류 교정의 '손익분기점'을 세계 최초로 돌파함. 이는 2023년 중국 국가자연과학기금위원회가 선정한 '10대 과학진전' 중 하나로 인정받았음.
- 지난 12월 17일 판젠웨이·주샤오보(朱晓波) 연구팀은 105개 큐비트를 탑재한 '주충즈 3.0' 초전도 양자컴퓨터 시제품을 개발함. 국가실험실은 이를 기반으로 향후 수개월 내 거리 7의 표면 코드 논리 큐비트 구현을 목표로 하고 있음.
- 이처럼 양자컴퓨팅 분야에서 중미 양국의 기술 격차는 1~2년 수준으로 좁혀졌음. 기술 발전 방향에 대한 이견은 있으나, 확장 가능하고 범용적이며 오류에 강한 양자컴퓨팅 실현에는 원칙적 장애가 없는 것으로 평가됨.
◦ 미국, 중국 견제...양자컴퓨팅 투자·기술수출 통제
- 미국은 2018년 12월 '국가양자이니셔티브법(National Quantum Initiative Act)'을 통과시켜 12억 달러(약 1조7,510억 원) 이상의 자금을 미국 국립표준기술연구소(NIST), 국립과학재단(NSF), 에너지부(DOE) 등에 배정하였음. 2019~2023 회계연도 기간 실제 투자 규모는 37억3,800만 달러(약 5조4,544억 원)로 당초 계획의 3배를 초과하였음.
- 미국 의회는 2023년 말 '국가양자이니셔티브 재승인법(National Quantum Initiative Reauthorization Act)'을 통과시켜 향후 5년간 투자액을 18억 달러(약 2조6,265억 원)로 증액함. 최근에는 이를 27억 달러(약 3조9,398억 원)로 추가 증액하는 새로운 법안을 제출하였음.
- 미국은 2021년부터 중국의 양자컴퓨팅 기관들을 '수출통제 기업 리스트'에 올려 초전도 양자컴퓨터의 핵심 장비인 희석 냉동기를 포함한 양자컴퓨터 관련 핵심 부품의 수출을 제한하기 시작함. 미국은 바세나르협정(Wassenaar Arrangement) 등 다자간 체제를 통해 동맹국들의 대중국 수출통제 동참을 이끌어냄.
- 이로 인해 2023년 6월 스페인을 시작으로 2024년 2월 프랑스, 3월 영국, 4월 일본, 6월 캐나다가 양자기술 관련 수출통제를 강화함. 관련 데이터에 따르면, 미국과 미 동맹국의 수출 규제로 인해 중국으로 수입되는 희석 냉동기 수가 2021년 60대, 2022년 53대에서 2023년 15대로 급감했으며, 2024년에는 수입이 완전히 중단됨.
- 2023년 8월 바이든 대통령은 행정명령을 통해 미국의 개인과 기업의 중국 반도체, 양자정보, AI 분야 투자를 제한하였음. 특히 양자정보 분야는 유일하게 예외 없이 전면 금지됨.
- 이러한 환경 변화로 2023년 11월 알리바바(阿里巴巴)가 양자컴퓨팅 연구개발을 포기하고 실험실을 저장대학(浙江大学)에 기증하였으며, 2개월 후 바이두(百度)도 실험실을 베이징양자정보과학연구원(北京量子信息科学研究院)에 기증함. 중국의 양자컴퓨팅 연구는 주로 중국과기대(中科大), 남방과기대(南方科大) 등 연구기관이 주도하고 있음.
[관련 뉴스 브리핑]
[참고 자료]
1. 全球科技封锁加剧，中国量子计算如何追赶？, 2024.12.24.
https://www.guancha.cn/haoping/2024_12_24_759968.shtml
2. 中国版Willow“祖冲之三号”问世 量子计算催化不断 商业化前景几何？, 2024.12.18.
https://www.cls.cn/detail/1892373
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