양자 컴퓨터, 꿈의 컴퓨터 개발 판매

양자 컴퓨터, 꿈의 컴퓨터 개발 판매

 

양자 컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터 성능의 1억배 이상에 달하는 초고성능 컴퓨터이다. 기존 컴퓨터로 80만 년 걸리는 계산도 양자 컴퓨터는 순식간에 해 낸다. 양자 컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터가 수천 년 걸려 풀 문제를 순간적으로 처리한다. 미국 IBM은 20큐비트 양자 프로세서를 탑재한 양자 컴퓨터를 개발하여 판매하고 있고, 이를 업그레이드한 50큐비트 양자 프로세서 기술 역시 내놓고 곧바로 상용화하는 작업에 들어갔다.

 

● 국내 연구진, 양자 붕괴 안 되는 '양자 측정 방법' 개발

 

한국 과학 기술 연구원(KIST)은 양자 컴퓨터의 구현 방법과 연산 과정의 검증 방법을 찾아냈다. 양립할 수 없는 두 관측량을 동시에 측정할 수 없다는 양자 물리학의 고정 관념을 깨고 두 관측량을 동시에 측정 가능함을 증명했다. 양자 컴퓨터는 흔히 ‘꿈의 컴퓨터’로 불린다. 이 방법은 앞으로 양자 컴퓨터 개발은 물론 검증에도 사용될 수 있다.

 

한국 과학 기술 연구원(KIST)은 양자 정보 연구단 조영욱 박사 연구팀이 '약한 양 자측정 기법'(weak quantum measurement)을 통해 일반적으로 동시에 측정할 수 없는 두 관측량을 측정하는 데 성공했다고 2018년 01월 22일 밝혔다. 이때 해당되는 관측량은 양자 위치, 양자의 운동량 등이다.

 

기존에 양자 물리학의 '불확정성 원리'에 따르면, 양립할 수 없는 두 관측량을 동시에 측정하는 것은 불가능했다. 양자를 측정하는 행동이 양자 상태를 붕괴시키기 때문이다. 하지만, 이번 연구 결과는 이러한 법칙을 깨고 두 관측량을 동시에 측정 가능하다는 것을 보여줬다.

 

● 조영욱 양자 정보단 연구팀, '약한 양자 측정 기법' 도입

 

이번 연구에서는 약한 양자 측정 기법은 양자 상태를 완전히 붕괴시키지 않는다. 따라서 관측량을 동시에 측정할 수 있다. 연구팀은 약한 양자 측정 기법으로 양자 컴퓨터의 연산 과정을 효율적으로 검증이 가능하다는 것을 단일 광자 큐비트(qubit. 양자 정보 기술 기본 단위)를 이용해 실험적으로 확인했다.

 

조영욱 KIST 박사는 "최근 최첨단 미래 기술 중 하나인 양자 정보 기술은 전세계적으로 관심이 증대되고 있다"며 "이번 연구 결과는 양자 컴퓨터 개발을 위한 기초 과학 성격의 연구결과로 양자 물리학의 근본 원리를 직접 응용하는 양자 정보 기술 전반에 활용될 것으로 전망하며, 양자 컴퓨팅 연구 기반 확보에 큰 도움이 될 것"으로 기대했다. 이 연구 결과는 KIST 양자 컴퓨팅 개방형 융합 연구 사업(ORP)을 통해 이뤄졌으며, 2018년 01월 15일 네이처 커뮤니케이션즈'Nature Communications' 온라인판에 게재됐다.

 

● 서울대 연구팀, 큐비트 정보 처리 개선 물질 구현

 

국내 연구팀이 양자 컴퓨터의 정보 단위인 큐비트간의 정보 교환을 보다 효율적으로 처리할 수 있는 방법을 개발했다. 서울대 물리 천문학부 안경원 교수팀은 큐비트 물질이 빛을 매개로 정보 교환을 할 때 쓰이는 초방사 현상을 단 하나의 원자로 생성하는 방법을 개발해 2017년 12월 21일 학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 발표했다. 

지금까지는 큐비트간의 정보 교환을 할 때 밀집돼 있는 수많은 원자의 초방사 현상을 주로 이용했다. 초전도체나 이온, 극초단파 등 큐비트를 생성해 양자 컴퓨터를 위한 정보 저장 단위로 쓴다. 큐비트간의 정보 처리 시 빛의 위상을 잘 조절 물질 정보를 빛에 잘 담아야 하는데, 이를 제어하는게 어려움이 있었다.

일반적으로 개별 원자들은 각자의 에너지 준위에 맞는 빛(광자)을 내뿜는다. 초방사 현상은 각각의 원자가 내뿜는 빛의 파장 간격 보다 더 촘촘하게 수많은 원자들이 특정 공간 안에 뭉쳐 있으면, 개별적으로 빛을 내뿜지 않고 집단적으로 빛을 내뿜는 것을 말한다. 이때 나오는 빛의 에너지는 원자의 수의 제곱에 비례하는 데, 그 에너지가 바로 우리가 확인할 수 있는 레이저가 된다.

이 레이저를 이용해 양자 중첩 상태의 큐비트를 만들 수 있다. 이번에 연구팀은 각각의 원자가 수 십m 떨어져 있는 상태에서도 집단적으로 에너지를 내는 초방사 현상을 만드는 데 성공했다. 뭉쳐있어야만 가능했던 초방사 현상을 단일 원자로 새롭게 구현한 것이다.

연구팀은 먼저 빛을 1 ㎲(마이크로초, 100 만분의 1초) 시간 동안 가두기 위해 반사율이 99.9% 이상인 거울 두 개를 1㎜ 간격으로 마주보게 공진기를 구성하고, 원자를 하나씩 그 안에 밀어 넣었다. 앞서 들어온 원자는 빛(광자)를 공진기 않에 남긴 뒤 빠져나가는 데, 순식간에 수많은 원자를 이와 같이 통과시켰다. 그 결과 공진기 내 먼저 지나간 원자가 남긴 개별 광자가 뒤에 들어 온 원자가 내뿜는 광자들과 물리적인 간섭 현상을 일으켜 초방사 현상을 일으켰다.

큐비트를 통한 정보는 빛이 매개한다. 원자들이 내뿜는 빛이 언제 방출될지 그리고 어느 방향으로 방출될지 알기 어려웠다. 집단이 아닌 개별 광자에서 나오는 초방사 현상을 통해 이를 보다 효과적으로 제어 할 수 있을 것이다. 향후 이를 적용해 큐비트 생성을 조절할 수도 있다.

● 양자 컴퓨터, 국내 대기업들이 자본 투자에 나서야 한다.

 

일본의 경우, 국책 연구소에서 양자 컴퓨터 관련 시제품을 기업들에게 무료로 제공하기로 했으며, 중국은 13조원 규모의 세계 최대 양자 연구소를 지어 군사 기술에 적용할 것이라고 발표했다. 일본 기업 특히 NEC, 후지쓰, NTT 등은 양자 컴퓨터 연구 개발을 본격화한다. 일본 정부도 대학 등에 대한 연구 지원을 강화한다. NEC가 개발할 양자 컴퓨터의 계산 능력은 3천-1만 양자 비트이다. 캐나다 '디 웨이브(D wave) 시스템' 기술은 2천 양자 비트 정도이다. 후지쓰는 양자 컴퓨터 관련 기술에 500억 엔을 투자한다. NTT 역시 10만 양자 비트로 양자 컴퓨터의 성능을 높일 예정이다.

캐나다의 컴퓨터 개발 업체 D웨이브는 양자 컴퓨터를 만들어 미국 항공 우주국(NASA)에서 촬영한 수 백장의 지구 사진들을 분석하고 있다. 한 대에 약 170억 원 가량으로 판매하고 있는데, 해당 제품은 NASA뿐 아니라 방산 업체인 록히드마틴(Lockheed Martin) 등에서도 사용하는 것으로 밝혀졌다.

 

미국의 IBM은 5큐비트 양자 컴퓨터를 만들어 공개했는데 이미 4만 명 이상이 사용하고 있고, 2017년 10월에는 50큐비트 양자 컴퓨터 시뮬레이션에 성공했다. 마이크로소프트 역시 토폴로지(Topology)를 활용한 양자 컴퓨터 개발에 도전을 선언했다. 경쟁력 확보를 위해 1-2년 안에 관련 전문가를 대거 채용할 계획이다.

 

국내 대기업들 역시 양자 컴퓨터 분야에 좀 더 관심을 갖고 적극적으로 자본과 시간을 투자할 필요가 있다. 결국은 타이밍 싸움이다. 지금 기술을 개발 하지 못하면 글로벌 시장 진입 기회를 잃고 양자 컴퓨터 후진국으로 전락할 수 도 있다. 한국은 이미 세계 최고의 반도체 공정 기술을 보유하고 있고, 광통신 기술력도 세계적인 수준이다. 아직 늦지 않았다. 하면 된다.

 

양자 컴퓨터의 큐비트는 지금 컴퓨터의 비트와 같다고 보면 된다. 하지만 중요한 차이점이 있다. 비트가 0 혹은 1로 확정된 값을 갖는 것과 달리 큐비트의 저장된 정보는 0과 1 중 어느 것인지 관측하기 전까지는 0과 1이 겹쳐 있는 양자 중첩 상태를 유지해 알수 없다는 것이다. 이렇게 중첩 상태에 있는 여러 큐비트를 같은 위상을 가진 양자 얽힘 상태로 만들어 단번에 엄청나게 많은 정보를 병렬로 처리하게 만드는 것이 미래 양자 컴퓨터의 기본 구상이다.