[여성과기인] ⑥ 양자컴퓨팅 실용화 넘어 일상화로…백한희 IBM퀀텀 연구원

백한희 IBM리서치 IBM퀀텀그룹 퀀텀컴퓨팅 연구원 [사진=백한희]

양자컴퓨터가 과학과 산업의 혁신에 필요한 시간과 비용을 획기적으로 감축할 미래 기술로 급부상했다. 거대 기술 기업들이 앞다퉈 개발에 뛰어든 가운데 IBM이 자체 개발한 최신 하드웨어와 클라우드 서비스를 내놓고 생태계 조성에 투자하며 2023년 이후 양자컴퓨터의 실용화를 예고했다. 양자컴퓨터의 안정성을 높인 초기 연구에 핵심적인 공헌을 하고 IBM의 차세대 프로세서 설계 개발에 매진하고 있는 한국인 과학자, 백한희 IBM리서치 IBM퀀텀그룹 퀀텀컴퓨팅 연구원과 인터뷰를 진행했다. 다음은 그와 나눈 일문일답.

Q. 본인 소개를 부탁한다.

"IBM퀀텀에서 일하는 연구원이다. 양자 하드웨어를 개발하다 지금은 소프트웨어(SW)와 알고리즘을 연구하고 있다. 연세대에서 물리학 학사·석사 학위를 취득했고 미국 메릴랜드대에서 박사, 예일대에서 박사후연구원 생활을 했다. 그 후 '레이시온 BBN'에서 1년 반 정도 일하다가 IBM 연구원으로 일하는 중이다. IBM에 와서 3차원(3D) 큐비트를 연구하고 16큐비트 프로세서 개발을 주도했다. 운 좋게 그동안의 연구 성과를 인정받아 작년에 미국 물리학회(APS) 석학회원(Fellow)이 됐다. 석학회원은 APS 소속 물리학자의 추천과 심사를 거쳐, 학생 회원을 제외한 학회 회원 중 매년 0.5% 정도만 선정된다."

Q. 양자컴퓨터가 실용화하면 어떤 변화가 일어날까.

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"보스턴컨설팅그룹에 따르면 퀀텀컴퓨팅 기술은 8500억 달러(약 1045조원)에 달하는 경제 효과를 가져올 것으로 예측된다. 신물질을 많이 다루는 화학·약학 분야에 큰 효과가 기대된다. 이 분야는 많은 물질을 조합하고 시험해야 하는데 이 과정의 결과를 양자컴퓨터 시뮬레이션으로 예측할 수 있다면 시간과 비용을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이다. 복잡한 데이터를 다루는 인공지능(AI)도 양자컴퓨터가 활용될 수 있는 분야고 금융·바이오·물류 영역에서도 큰 역할을 할 수 있다. 적용 효율은 화학·약학 산업보다 금융·물류 쪽이 떨어질 수 있지만 이 분야는 많은 데이터와 돈이 매개돼, 약간의 개선만으로 큰 효과를 거둘 수 있다."

Q. 다른 기술 발전으로도 볼 수 있는 변화 아닌가.

"양자 기술이 여타 기술과 가장 다른 점은 새로운 도구를 제공해 기존 산업을 발전시키는 동시에 새로운 산업을 창조하는 '전략 산업'이 될 수 있다는 점이다. 기업이 양자 기술을 활용하면 이제껏 해온 것과 완전히 다른 방식으로 일할 수 있게 된다. 다만 이걸 사용할 인력과 인프라를 위한 새로운 연구가 함께 필요해진다. 양자 기술을 활용하는 라이브러리와 애플리케이션을 개발하는 다양한 스타트업이 나타나고 이를 활용해 연구를 추진하는 기업도 나오는 등, 기존 산업의 확장과 발전뿐만 아니라 신산업이 출현할 것이다. 새로운 업무방식과 산업으로 양자컴퓨팅은 큰 가치를 창출할 수 있다."

◆ 상업용 큐비트 프로세서의 '결맞음 시간' 획기적으로 늘린 연구에 참여

백 연구원은 예일대 박사후연구원 과정으로 초전도 코히어런스(coherence·결맞음) 메커니즘 연구를 지속해 왔다. 그는 초전도 큐비트 연구팀의 일원으로 양자컴퓨터의 큐비트가 연산에 필요한 안정성을 유지하는 '결맞음 시간'을 획기적으로 늘릴 수 있는 '3D 트랜스몬 큐비트' 설계를 제시했다. 그의 연구 결과가 당시 몇 마이크로초(㎳)에 불과한 결맞음 시간을 수십㎳로 늘릴 수 있게 했고, IBM의 상업용 20큐비트 시스템이 업계 최장 수준인 100㎳의 결맞음 시간을 달성하는 데에 영향을 줬다. 당시 백 연구원 연구팀의 논문이 현재까지 1000번 이상 인용됐다.

Q. 주요 연구 분야인 '초전도 트랜스몬 큐비트'는 어떤 기술적 이점을 갖고 있나.

"초전도 트랜스몬 큐비트는 다른 초전도 큐비트에 비해 만들고 조작하기가 쉽다. 우리는 어떤 산업이나 주제든, 기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 모든 문제에 적용될 수 있다는 보편성 때문에 이것을 개발하고 있다. 요즘은 (연구자들이) 대부분 초전도 트랜스몬 큐비트를 사용한다. 양자컴퓨터의 성능을 측정하는 가장 중요한 세 가지 속성이 양자의 질(quality), 규모(scale), 속도(speed)다. 양자의 질은 하드웨어에서 얼마나 신뢰성 있게 구현되느냐를 나타내며 '퀀텀볼륨(quantum volume)'으로 측정된다. 양자의 규모는 흔히 쓰이는 큐비트 수로 측정되고 시스템에서 처리될 수 있는 정보량을 나타낸다. 양자의 속도는 시간당 프로그램 처리 개수를 나타내는 '초당 회로 레이어 연산(CLOPS·클롭스)'으로 측정된다. 양자의 질, 규모, 속도에 대한 우리의 접근 방식이 양자컴퓨터 시스템 이용자에게 가장 큰 성능 개선 효과를 제공할 수 있다고 본다."

Q. 당신의 연구는 IBM의 상용 양자컴퓨터와 어떻게 관련돼 있나.

"과거에는 양자 프로세서를 만드는 디바이스 물리학, 큐비트 설계와 소재, 게이트 연산자(gate operation) 등을 연구했다. 최근 애플리케이션과 SW 전략을 결정해 연구 방향을 세우고 실행하는 IBM퀀텀의 업무를 돕고 있다. 이 전략적인 결정에 기업에 필요하거나, 미래에 중요해지거나, 개발해야 할 애플리케이션을 판단하는 것이 포함된다. 각국의 고객과 파트너에게 양자 기술을 어떻게 활용해야 하는지에 대한 방향성을 제시하고 조언하는 일도 담당한다."

Q. IBM의 양자컴퓨팅 개발 현황은.

"IBM의 모든 연구원은 IBM퀀텀 로드맵에 따라 하드웨어, SW, 이론, 애플리케이션을 연구한다. IBM은 현재 세계 최대 양자컴퓨터 시스템인 127큐비트 시스템을 제공한다. 또 65큐비트 실험용 시스템과 64~128퀀텀볼륨을 제공하는 27큐비트 시스템을 함께 제공한다. IBM은 2022년 433큐비트 프로세서 '오스프리(Osprey)', 2023년 1121큐비트 프로세서 '콘도르(Condor)'를 선보이기 위해 연구하고 있다. 1000큐비트 이상의 시스템이 개발되면 양자컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터 성능을 넘어서는 '양자우위(Quantum Advantage)'를 가지고 애플리케이션을 개발할 수 있을 것으로 예상한다."

Q. 한국에서 최근 양자컴퓨터에 대한 관심이 큰데 미국은 어떤지.

"미국은 정부에서 양자 기술 개발에 40년간 꾸준히 투자해 왔기에 커뮤니티가 생겨났고 인력도 양성됐다. 이들이 기업에서 연구 활동을 통해 산업을 키웠다. 한국도 이런 선순환이 시작돼야 하고 이를 위해 생태계를 만드는 것이 매우 중요하다. 다행히 연세대에서 양자컴퓨터를 도입한다고 발표했고 삼성전자, LG전자, 성균관대, KAIST 등에서도 연구를 하면서 인재를 키우고 있어 고무적이다. 결국 기업이 어떤 산업용 애플리케이션을 개발해 어떤 가치를 창출하느냐가 관건이 될 것이다."

Q. IBM은 생태계 확대를 위해 어떤 노력을 하고 있나.

"IBM은 가장 활발히 활용되는 오픈소스 퀀텀 SW 개발 플랫폼 '키스킷(Qiskit)'을 선보였다. 지난 2016년 기업 최초로 양자컴퓨터를 클라우드에서 제공하기 시작했고 현재 20대 이상의 양자컴퓨터가 24시간 서비스를 제공해 40만여명이 이걸 사용할 수 있게 했다. 이용자는 양자컴퓨터 하드웨어와 시뮬레이터상에 1조6000억건 이상(하루 40억회 이상)의 양자회로를 실행하고 있고, 외부 연구논문 1000여건이 발표됐다. IBM에 훌륭한 과학자들이 많지만 양자 기술이 몇몇 기업의 힘으로 발전하는 것은 불가능하다. 오픈소스 방식을 채택해 다양한 분야의 개발자, 과학자, 교육자, 전문가가 협력하는 양자 생태계 구축이 필수다."

◆ "내가 만든 하드웨어로 양자역학 성질 관찰하고 개선하는 데 희열 느껴"
 

백한희 IBM리서치 IBM퀀텀그룹 퀀텀컴퓨팅 연구원 [사진=백한희]

IBM은 2023년 '양자우위' 시대가 본격화될 것으로 기대하고 있다. 전통적인 디지털컴퓨터 기술로 구현된 슈퍼컴퓨터보다 같은 작업을 더 효율적으로 처리할 수 있는 양자컴퓨터가 더 널리 쓰일 수 있게 된다는 얘기다. 이 같은 시대에 대비해 양자컴퓨터 기술을 발전시킬 글로벌 연구·산업 생태계가 조성될 필요가 있다고 백 연구원은 조언했다.

Q. 2021년 6월 양자기술 분야가 포함된 한·미 기술동맹이 발표됐는데 실제 협력 추진에 필요한 것은.

"국가적인 기술 교류가 중요하다. 정기 워크숍과 세미나 등을 통해 최신 정보와 기술을 공유하고 협업하는 방안을 모색해야 한다. 예를 들어 산업용 애플리케이션을 위한 라이브러리와 기술을 한국이나 미국 스타트업이 개발하면 두 나라의 대기업이 이것을 가져가 당면 문제를 푸는 데 활용하는 것과 같은 방법을 생각해 볼 수 있다. 협업을 통해 기업이 고민하는 문제를 빠르게 해결할 수 있다. 미국에 양자 기술을 연구하는 스타트업이 많지만 한국은 그렇지 않다. IBM퀀텀네트워크와 같은 커뮤니티가 이런 교류를 돕는 역할을 할 수 있지만, 기본적으로 이런 교류의 장을 마련하고 활성화하는 데 정부의 투자와 지원이 필요하다."

Q. 전공과 현재 연구 분야의 어떤 점에서 희열을 느끼는지.

"양자물리학은 물리학에서 매우 중요한 과목 중 하나로 전 세계 물리학과 학생들이 공통적으로 배운다. 양자는 일상생활의 모든 물리학적 성질을 결정하는 물리학의 바탕이지만, 양자역학의 핵심적 성질과 특성은 결맞음이 보존되는 미시세계에서만 직접 관찰할 수 있다. 학부 때 이론으로 배웠을 뿐인 양자역학적 성질을 박사과정 중 학위를 위한 실험을 하면서 내가 만든 디바이스로 직접 볼 수 있게 됐다는 점이 신기했다. 연구 초기의 양자 프로세서 기술은 결맞음 시간이 짧아 (실용적인) 양자컴퓨터가 될 수 없었다. 이걸 연장하는 연구를 했고 현재 IBM이 1㎳ 정도의 기록을 갖고 있는데, 연구 초기보다 1만~10만배 늘어난 수치다."

Q. 물리학 전공을 선택한 계기는.

"예전부터 과학, 우주, 천체에 대한 내용을 좋아했다. 지금도 SF 영화와 책을 좋아한다. 자연스럽게 고등학교에서 이과를 선택했고 대학 전공을 물리학과 전자공학 가운데 골랐는데 부모님께서 순수 과학을 하는 것이 어떻겠냐고 권해서 물리학과로 가게 됐다."

Q. 커리어와 관련해 가장 잘한 결정은 무엇이었나.

"작년에 IBM퀀텀의 리더인 제이 감베타(Jay Gambetta) 부사장의 기술 조교로 일할 기회가 생겼을 때 많은 고민을 했다. 순수 연구직과 비즈니스 계통의 커리어 사이에서 선택해야 했다. 연구에만 집중할 수 있는 연구원 자리에서 비즈니스와 조직 운영을 돕는 중책으로 옮기는 것이 옳은 결정인지 자신이 없었다. 1년 동안 IBM퀀텀의 전체 살림을 돕고 전략을 세우는 일에 함께하게 된 것은 매우 도전적인 일이었다. 하지만 결론적으로 가장 잘한 결정이었다고 생각한다. 이 경험을 통해 많은 배움과 깨달음을 얻고, 내가 가졌던 '껍질'을 깨고 앞으로 나아갈 수 있었기 때문이다. 향후 순수 연구직으로 돌아갈 수 있지만 당분간 비즈니스 계통에서 일하기로 결정했다. 각국의 정부, 기업, 연구기관과 같은 고객·파트너들에게 퀀텀컴퓨팅이 가진 잠재력을 전파하면서 또 다른 성취감을 느낄 수 있었기 때문이다. 물론 과학자로서 '감'을 잃지 않기 위해 매년 일정량의 연구를 계속 진행하고 있고 앞으로도 그렇게 할 예정이다."

◆ "세계를 바꾸는 양자 기술로 전 세계에 비전 제시하고 싶다"

백 연구원은 현재까지 퀀텀컴퓨팅 관련 특허 63건을 출원했고 37건의 연구 발표와 28건의 논문 출간을 수행했다. 순수 연구직에서 IBM의 역점 사업 부서인 IBM퀀텀의 비즈니스에 직접 관여하는 역할을 맡으면서 한층 치열한 삶을 살게 됐다고 말했다. 그는 앞으로 양자 기술을 이용해 세상을 바꿔 나가는 역할에 여전히 '과학자'로서 앞장서고 싶다는 포부를 내비쳤다.

Q. 인생 목표와 삶의 신조가 있다면.

"앞으로 양자 기술을 이용해 무엇을 할 수 있는지, 세상을 어떻게 바꿀 수 있을지 전 세계 고객·파트너들에게 보여 주고 비전을 제시하고자 한다. 과학자로서 퀀텀컴퓨팅으로 뭘 할 수 있는지 연구하고 이 분야를 선도할 수 있으면 좋겠다. 비즈니스 계통에서 일하면서 '치열하게'가 내 신조가 됐다. 모든 일에 최선을 다해 열심히 하자는 뜻이다."

Q. 존경하는 인물은.

"미셸 드보레(Michel Devoret) 예일대 교수님이다. 물리학을 매우 깊이 연구하는 분으로 그렇게 많이 알고 계시면서 항상 열심히 공부하고 새로운 것을 탐구하고 생각하는 연구자다."

Q. 동료나 후배 여성과기인들에게 읽어볼 만한 책을 추천한다면.

"능력과 정신력을 모두 갖춰야 자기 역량을 완전하게 발휘할 수 있다. 전략적인 사고와 정신력을 기르는 데 삼국지, 손자병법, 대망(일본 전국시대 이야기)과 같은 이야기들이 도움이 됐던 것 같다."

Q. 한국 정부의 여성과기인 대상 지원정책에 대한 생각은.

"어렸을 때부터 과학에 관심을 가진 여학생들에게 도움이 되도록 과학·기술·공학·수학(STEM) 교육 지원이 이뤄지고, 여성과기인들이 실력을 보일 기회가 주어졌으면 좋겠다. 여성이기 때문에 중요한 자리나 임무에 배정해 달라는 것이 아니다. 여성이기 때문에 기회조차 주어지지 않는 경우가 많기 때문에, 그 기회를 뺏지 않으면 좋겠다는 의미이다. 기회가 열리면 다른 기회가 주어지고 커리어를 쌓을 기회로 이어질 수 있다."

Q. 여성과기인으로서 고충이 있었는지.

"여성과기인들이 소수이기 때문에 커뮤니티에서 배제되는 경우가 많다. 과학은 교류다. 교류의 장, 기회에서 창조적 아이디어가 나온다. 그런데 남성 위주의 커뮤니티, 마초적인 문화에서는 여성과기인이 고립되거나 참여하기 어려운 경우가 많다. 나는 남성 동료들과 격의 없이 지내는 성격임에도 그런 일을 겪었다. 이건 문화 자체가 바뀌어야 하는 문제다. 일상생활에서 남녀가 아닌 '인간 대 인간'으로 교류하는 문화가 정착돼야 한다. 하지만 이런 변화는 구성원들이 자발적(bottom-up)으로 바꾸기는 쉽지 않다. 리더가 이끄는 방식(top-down)으로 가야 좀 더 쉽게 이뤄지는 것 같다."

Q. 경력단절의 위기는 없었는지.

"아직 아이가 없어 겪지 않았다. 과학자로서 1~2년을 쉬는 것이 경력에 치명적이기 때문에, 많은 여성 과학자들은 경력단절을 두려워한다. 다만 IBM에는 임신과 출산이라는 과정을 잘 이겨낸 여성 동료들이 많다. IBM은 여성 직원에 대해 많은 배려를 하는 회사이기 때문에 크게 걱정하지 않는다."
 

백한희 IBM리서치 IBM퀀텀그룹 퀀텀컴퓨팅 연구원 [사진=백한희]