관찰하기 전에는 아무것도 결정되지 않는다는 양자역학의 개념을 들어본 적이 있는가? 도대체 양자란 무엇일까? 첨단 과학기술인 ‘양자컴퓨터’는 어떤 용도로 사용될까? 오늘의 ‘신품질(新质) 생산력으로 본 베이징’을 따라 베이징양자정보과학연구원(北京量子信息科学研究院), 베이징보써양자과학기술유한회사(北京玻色量子科技有限公司)에 방문해 ‘양자’의 신비를 풀어보자~

양자는 국내외 물리학자들이 줄곧 탐구하고 있는 주제이다. 물리적 세계를 사람에 비유한다면 양자 세계는 이 사람의 ‘영혼’이라고 할 수 있다.

슈뢰딩거는 ‘고양이’를 사용해 양자 중첩을 검증했고, 아인슈타인은 양자 얽힘 현상을 ‘유령 같은 작용’이라고 칭했다. 차오쩌셴(曹则贤) 중국과학원 물리원 연구원은 양자를 다음과 같이 비유했다. 우리가 멀리서 물고기떼를 보면 시커먼 한 덩어리로 보이지만, 가까이서 보면 물고기 한 마리 한 마리를 볼 수 있는데, 이 각각의 물고기가 물고기떼의 양자라고 할 수 있다.

그렇다면 양자는 도대체 무엇일까? 탐구해야 할 방향이 너무나도 많다. 드넓은 우주일 수도 있고, 특정 종일 수도 있다. 흩어지기도 하고, 변화하기도 한다. 양자는 그 자체의 신비함을 지니고 있다. 최근 몇 년간, 양자 과학기술이 급속도로 발전하면서, 차세대 과학기술 혁명과 산업 변혁의 첨단 분야가 되었다. 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 정밀 측량 등 3대 관련 분야 역시 수많은 과학자들이 연구하는 주된 방향이 되었다.

베이징 하이뎬(海淀)에 위치한 베이징양자정보과학연구원

베이징 하이뎬에 위치한 ‘베이징양자정보과학연구원’(이하 ‘베이징양자원’)이 바로 수많은 인재와 기술을 응집한 ‘양자세계’이다. 창카이(常凯) 베이징양자원 집행원장은 “베이징양자원의 설립 목적은 베이징 양자 과학기술 연구개발 관련 인재의 분산된 역량을 집중시켜서, 이곳을 중추로 삼아 국가 양자 과학기술 발전을 위해 공헌하는 것이다.”라고 말했다.

최근 몇 년간, 베이징양자원은 세계적인 과학기술 성과를 연이어 산출해냈다. 2020년 양자 직접 통신 기술, 2021년 장수명 초전도 양자 큐비트 칩, 2023년 차세대 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼, 2024년 대규모 양자 클라우드 컴퓨팅 파워 클러스터, 2024년 리드베리 원자 전자 탐지 시스템 등 베이징양자원이 이뤄낸 많은 중요 과학기술 성과들은 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 정밀 측량 등 다양한 분야를 아우르고 있어, 양자 과학기술의 응용 분야가 더 넓은 세계로 확대될 것임을 증명했다.

‘양자 컴퓨팅’을 예로 들면, ‘양자 컴퓨팅’은 빠른 연산, 강력한 정보처리 능력, 넓은 적용범위가 특징이며, 큐비트를 기본 연산 단위로 하는 신형 컴퓨팅 모델이다. 양자 컴퓨팅은 암호학, 재료과학, 바이오의약, 인공지능 등 다양한 분야에 활용될 수 있기 때문에 점점 더 많은 양자 연구 팀들이 생겨나고 있다.

베이징보써양자과학기술유한회사에서 연구개발한 550 양자 큐비트 간섭 광양자 컴퓨터

SF 느낌이 가득한 2m 높이의 이 박스가 바로 베이징보써양자과학기술유한회사(이하 ‘보써양자’)에서 선보인 550 양자 큐비트 간섭 광양자 컴퓨터이다.

“컴퓨터의 핵심 부품은 완전 국산화를 실현했으며, 밀리세컨드 단위의 시간 내에 2의 550승 가지 답안 중 가장 좋은 답안을 병렬로 검색할 수 있다. 답안을 구하는 속도가 기존 알고리즘의 평균 속도의 수만 배이고, 성능이 세계를 선도하는 수준에 달했다. 이미 통신, 금융, 교통, 의약, 모바일 클라우드, 전력 등 여러 분야를 대상으로 협력을 진행했다.”고 보써양자 CEO인 원카이(文凯) 박사가 소개했다.

2021년 보써양자는 베이징시 과학기술위원회, 중관춘 과학기술단지 관리위원회의 중점 프로젝트 자금 지원을 받아, 이후의 학술 연구개발과 성과 사업화를 위해 견고한 기초를 놓았다. 2023년 보써양자는 베이징시 ‘전정특신(专精特新, 전문화·정밀화·특색화·참신화)’ 중소기업으로 인정되었다.

양자 컴퓨팅의 연산 능력은 얼마나 강력할까? 베이징양자원의 전시실에서 창카이 집행원장은 다음과 같이 소개했다. “양자 컴퓨터가 완벽한 양자 큐비트를 사용한다면, 50개 양자 큐비트가 구성한 정보 저장공간이 현존하는 세계 최고 성능의 슈퍼 컴퓨터에 필적한다. 300개 큐비트가 저장할 수 있는 데이터의 양은 우주 전체의 원자 수에 버금간다. 양자 컴퓨터의 연산, 저장 능력과 양자 큐비트 수 간에는 지수적 상승 관계가 있어, 거대한 잠재력을 지니고 있다. 이것이 바로 현재 세계 각국이 양자 과학기술과 양자 컴퓨팅을 중요시하는 이유이다.”

양자 과학기술의 연구개발 성과는 우리와 얼마나 떨어져 있을까? “우리가 작년 중관춘 포럼에서 발표한 Quafu 양자 컴퓨팅 클라우드 플랫폼은 양자 컴퓨팅이 실험실에서 대중적 활용까지 이어지도록 길을 뚫은 것이다. 현재 인터넷을 접속할 수 있는 사람은 모두 무료로 가입할 수 있으며, 본인의 컴퓨터로 이 클라우드 플랫폼을 접속해 집에서 양자 컴퓨팅에 대해 배울 수 있다. 최근 선전대학교(深圳大学)와 홍콩중문대학교(香港中文大学)의 협력 연구 팀은 우리의 클라우드 플랫폼에서 최신 연구개발한 ScQ-136（Baiwang） 초전도 양자 칩을 활용해 복잡한 실험 검증을 구현했으며 올해 10월에 관련 논문을 발표했다. 현재 기준 이 플랫폼을 활용해 발표한 과학기술 논문이 20편을 넘어섰다.”고 창카이는 소개했다.

양자 과학기술은 정말 중요할까? 베이징시 인민정부 사무홀에서 발행한 <베이징시 미래 산업 혁신 발전 촉진 실시 방안(北京市促进未来产业创新发展实施方案)>에서는 미래 정보, 미래 건강, 미래 제조, 미래 에너지, 미래 소재, 미래 공간 등 6대 분야의 20개 세부 산업 방향이 베이징 미래 산업 배치의 중점 방향이 될 것임을 명확히 했다.

미래는 이미 도래했다. 양자 과학기술 분야의 발전은 바로 베이징 미래 산업의 혁신 ‘테스트베드’ 중 하나이다. 사진을 한 장 찍고, 전송 버튼을 누르면 몇 초 만에 사진이 광양자에 실려 100km 거리의 광섬유를 통과해 정보를 안전하게 전송한다. 100km, 세계에서 가장 긴 양자 직접 통신 거리 기록이 바로 베이징양자원에서 세운 것이다.

‘양자 직접 통신 시스템’, ‘마이크로 원자 시계’, ‘리드베리 원자 전자 탐지 시스템’ 등 이러한 양자 기술의 성공적인 연구개발은 성과 사업화 이후에는 우주, 기상, 자율주행 등 분야에 광범위하게 적용이 가능하다.

리드베리 원자 전자 탐지 시스템

양자 과학기술 분야가 갈수록 활발하게 발전함에 따라, 베이징시의 양자 산업 발전 추진과 관련된 지원도 이에 발맞추고 있다. 지난 10월 26일, 베이징시 제1회 양자 정보 기술 혁신 대회에서 베이징시 과학기술위원회, 중관춘 과학기술단지 관리위원회와 하이뎬구가 공동으로 지원·설립한 중관춘(하이뎬) 양자 과학기술 미래 산업 단지와 중관춘 양자 과학기술 인큐베이터가 정식으로 오픈했다. 이는 중국 최초의 양자 인큐베이터로서, 베이징시가 양자 정보 기술 산업화 과정에서 내딛은 중요한 한 걸음이다.

이 밖에도 2억 위안 규모의 베이징 양자 정보 산업 발전 투자 기금 역시 정착되는 중이다. 이 기금은 산업사슬 리더 또는 세부 분야의 선구자로 거듭날 잠재력을 지닌 성장기 기업을 대상으로, 지분 투자의 방식으로 초창기, 중소기업의 발전을 중점적으로 지원할 것이다.

베이징시 과학기술위원회와 중관춘 과학기술단지 관리위원회는 베이징의 혁신 우위를 십분 발휘하여, 양자 분야의 글로벌 혁신의 최전선에 주목해, 과학기술 난제 해결, 성과 사업화, 시범 응용, 생태계 육성 등 4대 핵심 포인트에 초점을 맞추어 힘씀으로써, 베이징이 국가 양자 과학기술 산업의 고지를 조성하도록 추진할 것이다.

양자 과학기술은 신형 첨단 기술로서, 연산 처리 능력 제고, 정보 보안 보호 능력 강화, 센서 측량 정밀도 제고 등 측면에서 중대한 과학적 의의와 전략적 가치를 지닌다. 새로움으로 ‘질’을 세우고, 안정성으로 ‘질’을 유지하여, 양자 분야의 연구가 베이징 국제 과학기술 혁신 센터의 건설을 가속화할 것이며, 신품질 생산력 육성을 통해 끊이지 않는 원동력을 제공할 것이다.

원문 출처: 베이징시 과학기술위원회, 중관춘 과학기술단지 관리위원회