양자 컴퓨팅이 인공지능의 에너지 소비량을 제어할 수 있을까?

미국 에너지부(DoE)는 국내 기업들이 세계 최초의 신뢰할 수 있는 양자 컴퓨터를 개발할 수 있도록 최대 2억 1500만 달러의 자금을 지원하고 있습니다. 차세대 기술인 양자 컴퓨팅 개발 경쟁이 심화되고 있는 가운데, 이 기술은 인공지능 붐으로 촉발된 막대한 에너지 수요라는 판도라의 상자를 열 해결책으로 떠오르고 있습니다.

미국 에너지부의 양자 창세기 Q(Quantum Genesis Q) 공모전은 현재 "수억 개의 오류 허용 연산을 실행할 수 있는 최소 100개의 논리 큐비트를 갖춘 양자 컴퓨터 배포 및 과학 실증 프로그램"을 목표로 하는 아이디어 제안서를 접수하고 있습니다.

다리오 길 에너지부 과학 담당 차관은 퀀텀 제네시스 Q 대회가 "협력과 경쟁의 환경을 동시에 조성하고 경쟁 정신을 최대한 발휘하도록 장려"함으로써 미국이 글로벌 양자 컴퓨팅 경쟁에서 선두 주자로 자리매김할 수 있도록 하는 더 큰 목표의 일환이라고 밝혔습니다.

또한, 에너지부는 양자 고성능 컴퓨팅 검증 및 확인 테스트베드 연구소 공모라는 보완 프로그램을 시작했으며, 이 프로그램은 미국 국립 연구소 네트워크를 대상으로 "내결함성 양자 컴퓨터의 성능을 검증하는 데 필요한 모든 도구와 전문 지식을 개발하고 구현"하기 위한 제안서를 모집하고 있습니다.

양자 컴퓨팅과 AI의 에너지 소비량 비교

첨단 양자 컴퓨팅 기술 개발을 가속화하려는 움직임은 인공지능이 만들어내는 에너지 괴물을 제어하기 위해 그러한 획기적인 기술이 점점 더 절실해지는 시점에 나타나고 있습니다.

BCG의 새로운 보고서에 따르면, 양자 컴퓨팅이 충분히 개발되면 철강 및 시멘트 생산과 같이 감축하기 어려운 분야에서 발생하는 배출량의 20~40%를 줄이는 데 도움이 될 수 있다고 합니다. 이 보고서는 Semafor가 단독으로 공개한 보고서 미리보기에서 발췌되었습니다.

보고서는 또한 이 기술이 탄소 포집, 친환경 수소 및 암모니아, 배터리에도 적용될 수 있다고 덧붙였습니다.

양자 컴퓨터 역시 작동에 상당한 양의 에너지가 필요하지만, 인공지능 붐을 주도하는 데이터 센터들이 소비하는 막대한 양의 전력에 비하면 그 소비량은 미미해 보인다.

세마포에 따르면, 새로운 BCG 연구는 "양자 컴퓨팅이 범용 기술보다는 특정 문제를 해결하는 데 사용될 가능성이 높기 때문에 해당 부문의 탄소 발자국은 AI 산업에 비해 상대적으로 작을 것"이라고 추정합니다.

게다가 양자 컴퓨팅은 대규모 언어 모델의 작동 방식을 바꾸어 인공지능 자체의 에너지 효율을 높일 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 기업 이온큐(IonQ)의 사장 겸 CEO인 피터 채프먼은 2024년 포브스와의 인터뷰에서 “인공지능 처리와 같이 양자 컴퓨팅이 강점을 보이는 작업에서는 어떤 GPU도 양자 컴퓨팅을 따라잡을 수 없습니다. 이러한 작업들은 결국 양자 컴퓨팅으로 옮겨갈 것이며, 현재의 기술로는 도저히 경쟁할 수 없습니다.”라고 말했습니다.

채프먼은 "양자 컴퓨팅이나 차세대 칩의 기능을 시뮬레이션하려면 약 25억 개의 GPU가 필요하지만, 실제 작동하는 데 필요한 전력량은 일반 콘센트 두 개에 불과하다"고 덧붙였다.

청정에너지 기술 발전을 위한 양자 잠재력

양자 컴퓨팅은 청정에너지 기술을 개선하는 데에도 가능성을 제시합니다.

양자 배터리는 언젠가, 처음에는 다소 직관에 반하는 것처럼 보일 수 있지만, 전력을 공급받는 장치와 양자 상태를 공유할 경우, 저장한 에너지보다 더 많은 에너지를 방출할 수 있을 것이다.

양자역학은 전자제품과 산업 기계에서 방출되는 폐열을 포착할 수 있는 새로운 형태의 에너지 수확 장치를 가능하게 할 수도 있습니다.

지난해 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구진은 전자의 이른바 "가장자리 상태"를 관찰하는 방법을 발견했다고 발표했습니다. 이 상태는 에너지 손실이 없는 상태로, 기술 분야에 혁신을 가져올 잠재력을 지니고 있습니다.

Interesting Engineering의 보고서에 따르면, "이처럼 마찰 없는 전자의 움직임은 전송 손실 없이 장치 간에 데이터와 에너지를 전송할 수 있게 해 주어 초고효율 전자 회로와 양자 컴퓨터 개발로 이어질 수 있습니다."