이제, 양자(quantum) 컴퓨터 시대 온다.

 

이제, 양자(quantum) 컴퓨터 시대 온다.

 

● 양자 컴퓨터, 기존 컴퓨터 보다 1억배 이상 빠르다.

 

양자 컴퓨터 상용화되면, 수퍼 컴퓨터가 1000년 걸리는 계산을 몇 분이면 해낼 수 있다. 수퍼 컴퓨터 보다 수십만-수백만 배의 속도를 가진 컴퓨터가 우리 생활에 스며들면서 인공 지능(AI). 암호. 재료 과학. 신약 개발 등 모든 분야에서 상상할 수 없는 세상이 열릴 것이다. 양자(量子 quantum) 컴퓨터는 반도체로 움직이는 현재의 컴퓨터와는 전혀 다른 원리로 작동한다.

 

현재 사용 중인 컴퓨터는 0과 1의 값을 갖는 비트(bit)로 계산한다. 반면 양자 컴퓨터는 0과 1의 값 중 하나를 취하거나 혹은 모두를 동시에 취하는 큐비트(qubit)를 이용해 복잡한 계산을 동시에 한다. 얽힘이라고 불리는 양자 효과를 이용해 동기화하는 기술이다. 그런데 과학자들은 10 또는 15 큐비트(qubit) 보다 큰 양자 컴퓨터를 만드는데 어려움을 겪어 왔다. 큐비트(qubit)가 그들의 모호성을 상실하고 단순히 1이나 0이 되는 ‘결 깨짐 현상’이 발생하기 때문이다. 결 깨짐 현상이 나타나면 양자 정보를 처리할 수 없다.

 

현재의 컴퓨터는 0과 1이라는 이진법 신호로 작동한다. 스위치를 켜 전기가 흐르도록 하면 1, 스위치를 끄면 0을 나타내는데 이를 이용해 연산을 하거나 정보를 저장하고 읽어내는 식이다. 0이나 1의 상태가 '비트'(bit)라는 정보의 기본 단위가 된다. 비트(bit)의 양이 늘어날수록 성능도 비례해서 발전한다. 더 작은 반도체에 더 많은 비트(bit)를 담는 것이 현재 반도체 회사들의 목표이다.

 

● 수퍼 컴퓨터 1000년이 걸리는 계산을 불과 몇 분에 해결

 

반면 양자 컴퓨터는 눈에 보이지 않는 미시 세계에서 나타나는 양자 역학(量子力學)을 이용한다. 양자 역학은 확률로 물질의 상태를 표시한다. 0과 1이 아닌 중간 단계가 동시에 존재할 수도 있다. 이 때문에 양자 컴퓨터는 0과 1을 이용하면, 두 가지가 아니라 00, 01, 10, 11과 같은 4가지 표현이 가능하다. 이 단위를 큐비트(qubit)라고 한다. 큐비트(qubit) 세 개가 있으면 8가지 상태를 표현할 수 있고, 네 개는 16가지 상태가 가능해진다. 10개가 있으면 무려 1024가지 상태를 표현할 수 있다. 비트를 늘리는 것 보다 큐비트(qubit)를 늘리는 것이 비교할 수 없을 만큼 효율적이라는 것이다.

 

양자 컴퓨터를 자유자재로 이용할 수 있게 되면, 성능 개선의 한계에 부딪힌 컴퓨터를 전혀 다른 차원으로 끌어올릴 수 있다. 과학자들은 양자 컴퓨터가 상용화되면, 수퍼 컴퓨터로 1000년이 걸리는 계산을 불과 몇 분이면 해낼 수 있다고 확신한다.

 

양자 컴퓨터의 작동 원리를 이해하지 못한다고 해서 실망할 필요는 없다. 일반인은 물론 물리학 전공자 중에서도 양자 역학을 이해한다고 자신 있게 말할 수 있는 사람이 드물다. 양자 컴퓨터를 처음 구상한 미국 물리학자 리처드 파인먼은 "상대성 이론을 이해하는 사람은 전 세계에 12명 있지만, 양자 역학을 이해하는 사람은 아무도 없다"는 말을 남겼다.

 

● 글로벌 테크 기업들 잇따라 양자 컴퓨터 개발에 뛰어들어

 

양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 전자(電子)에서 일어나는 양자 현상을 완벽하게 통제할 수 있어야 한다. 구글은 2016년 06월 전자 9개를 제어할 수 있는 9 큐비트(qubit) 규모의 양자 컴퓨터를 시연했고, IBM은 5 큐비트 양자 컴퓨터를 만들어 공개했다. IBM의 5 큐비트 양자 컴퓨터는 이미 4만명 이상이 이용한 것으로 알려졌다. IBM은 "가까운 시일 내에 50 큐비트(qubit) 규모의 양자 컴퓨터를 개발해 유료 서비스를 시작할 것"이라고 발표했다. 본격적인 양자 컴퓨터 상용화의 길을 열겠다는 것이다. 마이크로소프트 역시 양자 역학 전문가를 대거 채용해 1-2년 내에 상용 양자 컴퓨터를 출시할 계획이다.

 

캐나다의 컴퓨터 개발업체 D웨이브는 특정 용도로만 활용하는 양자 컴퓨터를 만들어 한 대에 1500만 달러(약 174억원)에 팔고 있다. 이 제품은 특정 수학 계산만을 수행하지만, 속도는 기존 컴퓨터 보다 수백 배 이상 빠르다. D웨이브 제품은 미국 항공 우주국(NASA), 방산 업체 록히드 마틴 등이 사용하고 있다. D웨이브 측은 "기존 컴퓨터가 18개월에 집적도가 2배가 된다는 '무어의 법칙'에 따라 발전한 것처럼, 양자 컴퓨터도 큐비트(qubit)가 늘어나며 성능이 기하급수적으로 개선될 것"이라고 밝혔다.

 

기초과학연구원(IBS) 등에서 초보적인 수준의 큐비트를 구현하는 연구를 진행 중이다. 양자 컴퓨터에서 필요한 현상들을 제어하는 기술은 한국도 경쟁력이 있다. 삼성전자 등 대기업들도 이 분야에 관심을 갖고 투자할 필요가 있다.

 

한국 기초과학연구원(IBS) 연구팀은 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트(bit)를 안정적으로 읽고 쓰는 데 성공했다고 2017년 03월 09일 밝혔다. 이는 정보를 저장하고 처리하는데 실리콘 반도체 대신 원자를 이용할 수 있다는 뜻이다. 실리콘 기반의 반도체는 제한된 공간에서 스위치 역할을 하는 트랜지스터 크기를 줄여가면서 저장 용량을 늘리고 처리 속도를 개선해왔지만 한계에 이르렀다.

 

이에 양자 역학에 기반을 둔 양자 컴퓨터가 주목을 받고 있다. 양자 컴퓨터는 0과 1의 이진법인 비트로 연산하는 디지털 컴퓨터와 달리 0과 1 외에 중첩의 양자 상태도 신호로 쓰는 큐비트(qubit) 연산을 하는 컴퓨터를 말한다.

 

중첩은 한 입자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있다는 의미로 이를 이용해 비트별로 차례차례 계산하는 실리콘 반도체 컴퓨터와 달리 여러 비트를 한 번에 계산할 수 있다. 이론적으로는 지금까지 상영된 모든 영화를 USB 메모리 카드 한 개 크기의 칩에 저장하거나 인간이 수 백년 동안 계산해야 할 수식을 수 초안에 계산할 수 있다고 전문가들은 설명했다. 하지만 양자에 정보를 저장하고 입출력하는데 한계가 있어 개발이 더디게 진행되고 있다.