미국 공무원, 전문가, 입법자들이 중국을 따라잡기 위해 국가 양자 이니셔티브를 확대해야 한다고

미국과 중국이 양자 기술 분야에서 어깨를 나란히 하고 있다고 증인들이 오늘 하원 과학위원회에 경고했다. 관리들과 전문가들은 미국이 우위를 점하기 위해서는 여전히 실험 장비에 접근하는 데 어려움을 겪고 있는 학계 연구자들과 투자자를 확보하는 데 어려움을 겪고 있는 신생 기업에 대한 국가 양자 이니셔티브의 지원을 강화해야 한다고 주장했다.

양자 컴퓨팅은 기존 암호화를 빠르게 해독하는 것부터 초정밀 센서와 내비게이션 시스템 구축에 이르기까지 다양한 국가 안보 애플리케이션에 영향을 미칩니다. 하지만 미국 정부는 수년 동안 이 기술을 연구해 왔지만, 실제 응용 분야에 얼마나 근접했는지는 아무도 장담할 수 없다.

백악관 과학기술정책실(OSTP)의 국가 양자 조정실 책임자인 찰스 타한은 "양자 컴퓨터가 언제, 어느 정도 규모로 실제로 유용해지기 시작할지 알 수 없습니다."라고 말했다. "향후 5년이 될 수도 있습니다. 그보다 더 길어질 수도 있습니다."

그렇다고 해서 양자 기술이 무시되고 있는 것은 아니다다. 2018년 국가 양자 이니셔티브 법안이 통과된 이후 양자 연구에 대한 연방 기금은 2019년 4억 달러에서 2023 회계연도에 대한 바이든 행정부의 요청으로 8억 달러 이상으로 약 두 배 증가했다. (올해의 최종 예산 수치는 부채 협상으로 인해 아직 유동적입니다). 민간 부문은 연방 정부의 3배에 달하는 약 60억 달러를 투자했다. 그러나 불투명한 권위주의 체제에서는 정확한 수치를 파악하기 어렵지만 중국은 이보다 훨씬 더 많은 투자를 했을 것이며, 특허와 출판물 생산도 급증했다.

실제로 중국은 2016년에 양자 통신 위성을 발사하고 2017년에 베이징과 상하이 사이에 660마일의 링크를 구축하는 등 개념 증명 기술을 실제로 구축하는 데 있어 앞서 있다고 전 에너지부 차관 폴 다바(Paul Dabbar)는 말했다. 다바르는 권위주의적인 중국 공산당은 10년 전 에드워드 스노든의 폭로로 드러난 것처럼 미국 국가안보국(NSA)이 기존 통신을 해킹할 수 있다는 두려움에 사로잡혀 있으며, 중국의 희망은 미래의 양자 컴퓨터가 해독할 수 없는 암호화를 만들 수 있다는 것이라고 말했다. 그러나 그는 "얽힘과 양자 데이터 및 네트워크의 고급 배포에 관해서는 미국이 단연 선두주자"라고 말했다.

하지만 2018년 국가 양자 이니셔티브 법에 의해 설립된 민관 양자 경제 개발 컨소시엄의 전무이사 셀리아 메르츠바허는 첨단 기술을 실제 제품으로 만들어야 하는 민간 부문의 양자 기업에 대한 벤처 캐피탈의 시각은 차가워졌다고 말했다. 그녀는 투자가 계속 증가하고 있지만 증가 속도는 둔화되고 있다고 말했다.

메르츠바허는 "소규모 순수 양자 기업은 점점 늘어나고 있지만, 현재 대형 양자 기업은 없으며, 벤처 펀딩도 둔화되고 있는 것 같습니다."라고 말했다. "따라서 현재로서는 정부가 양자 기술의 위험을 제거하고 미래의 양자 경제로 연결하기 위한 조치를 취하는 것이 정말 중요합니다."

OSTP의 타한은 학문적 연구도 마찬가지로 실질적인 자원 제약에 직면하고 있다고 말했다. 그와 다른 전문가들은 오랫동안 실제 양자 컴퓨터 없이도 기존의 디지털 컴퓨터를 사용하여 양자 비트(큐비트) 시스템을 시뮬레이션함으로써 의미 있는 양자 연구를 수행할 수 있었다고 설명했다. 그러나 이제 연구자들은 시뮬레이션하기에는 너무 강력한 더 나은 양자 컴퓨터를 만들기 시작했으며, 이는 최신 하드웨어가 무엇을 할 수 있는지 알아내는 유일한 방법은 실제로 시도해 보는 것이라고 그는 말했다.

타한은 연구원들이 "노트북이나 슈퍼컴퓨터로는 이 정도의 큐비트를 시뮬레이션할 수 없는 지점에 막 도달하기 시작했다"고 말했다. "그렇다면 연구자들이 대당 300만~500만 달러에 달하는 도구에 액세스할 수 있도록 하려면 어떻게 해야 할까요?"

한 가지 잠재적인 해결책은 양자 테스트베드를 구축하고 장거리 클라우드 컴퓨팅 네트워크를 통해 전국의 연구자에게 액세스를 제공하는 "큐비트 파운드리"다. 그러나 타한은 현재 연방 기금은 이런 종류의 필수 R&D 인프라에 보조금을 지원하지 않고 순수 연구에 초점을 맞추고 있다고 말했다.

물론 NQI 법안을 처음 발의한 하원 과학위원회는 이러한 주장에 열광적으로 호응했다. 하지만 여기에서도 일부 의원들은 양자 기술이 실제 현실과 얼마나 동떨어져 있는지에 대해 경고의 목소리를 냈다.

"우리 모두는 몇 가지 사항에 대해 격렬하게 동의하고 있습니다."라고 캘리포니아주 하원의원 제이 오버놀트(Jay Obernolte)가 말했다. "우선, NQI가 재승인되어야 하고, 두 번째는 더 많은 인력과 더 많은 자금이 필요하다는 것입니다."

하지만 오버놀트는 "우리가 직면한 문제는 양자 컴퓨팅 기술의 잠재적 응용 분야가 대부분 아직 이론적인 수준에 머물러 있다는 점입니다. IBM이 433개의 큐비트가 탑재된 칩을 개발했다는 것은 대단한 일이지만, 기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 종류의 컴퓨팅 문제를 해결하려면 수천만 개는 아니더라도 수백만 개의 큐비트가 필요하며, 큐비트가 한 번에 여러 계산을 할 수 있게 해주는 양자 흐릿함을 잃고 일상적이고 결정론적인 입자처럼 행동하기 시작하는 과정인 디코히어런스 문제 등 해결해야 할 기술적 문제가 여전히 남아 있습니다."라고 설명했다.

OSTP의 타한은 디코히어런스에 대한 극적인 진전이 있었다고 답했습니다. "20년 전 제가 시작했을 때만 해도 최고의 큐비트 중 하나의 일관성 시간은 나노초였습니다."라고 그는 말했다. "이제 페르미랩과 다른 연구자들은 100마이크로초, 심지어 밀리초까지 만들고 있습니다." 마찬가지로 단일 양자 장치에서 함께 작동할 수 있는 큐비트의 수도 몇 개에서 수백 개로 급증했다.

군용 또는 상용 제품에 얼마나 가까워졌을까요? 타한은 "아직 그런 것들에서 실행할 수 있는 유용한 애플리케이션이 없습니다."라고 인정했다. 그는 일부 애플리케이션의 경우 "얼마나 많은 큐비트가 필요한지 정확히 알고 있습니다: 대략 수십만에서 수천만 개로 추정됩니다."라고 말했다.

반면에 다바르는 CPU나 GPU와 같은 기존 칩을 보완하는 '하이브리드' 컴퓨터에서 큐비트를 사용하면 훨씬 적은 수의 큐비트로도 충분하다고 말했다. 이는 에너지 부서의 고성능 컴퓨팅 프로젝트의 다음 반복에 대한 "낮은 매달린 열매"라고 그는 주장했다. "이기종 고성능 컴퓨터는... 사실 오늘날 차세대 고성능 컴퓨터로 설계될 수 있는 것입니다."라고 그는 위원회에 말했다.