세상을 바꿀 양자 컴퓨터, 버나비에 위치한 벤처기업에서 만들어

 

 

지난 해말 Google과 NASA가 함께 D-wave 2x라는 양자컴퓨터(Quantum Computer)를 구입하여 새로운 개념의 슈퍼컴퓨터(super computer)를 구축하는 연구에 박차를 가하고 있다고 발표했습니다.

 

세계에 가장 유명한 컴퓨터 관련 연구팀을 구축하고 있는 두 곳에서 구입했다고 하는 D-wave 2x라는 컴퓨터가 이곳 밴쿠버 버나비에 위치한 17년밖에 되지 않은 신흥 벤처기업에서 만들어진 세계 최초의 상용 양자컴퓨터라는 사실을 아시는 분들은 별로 없을 듯 합니다. 그런 회사가 있다는 사실을 아시는 분들도 많지 않으시겠지만, 사실 양자컴퓨터라는 것 자체도 널리 알려진 것이 아니기에 그저 우리와는 상관 없는, 먼 딴세상 이야기라고 생각하실 수도 있겠습니다.

 

비록 현재까지는 충분히 알려져 있지 않은 분야이지만, 머지 않은 미래에 양자 컴퓨터가 널리 사용된다면 우리 개개인의 삶이 완전히 바뀌어야 할 수도 있는 그런 흥미로운 이야기이기에 이번 칼럼에서는 양자컴퓨터에 대해 설명을 드려볼까 합니다.

 

컴퓨터는 2차 세계 대전 말 즈음에 처음 발명되어 이제는 거의 모든 사람들의 삶에서 뗄 수 없는 생활필수품이 되어 버렸습니다. 이렇게 컴퓨터가 발전되는 동안 집 한채 만하던 크기는 손바닥보다 작아진 반면, 그 성능은 엄청난 발전에 발전을 거듭해왔습니다. 이 모든 것은 컴퓨터의 뇌에 해당하는 집적회로(Integrated Circuit) 크기는 줄이고 그 성능을 발전시켜 온 덕분이라고 볼 수 있습니다.

 

이렇게 컴퓨터 집적회로의 성능과 그 크기가 서로 반비례하며 성장한다는 것을 예측한 이론을 무어의 법칙(Moore’s law)의 법칙이라고 합니다. 하지만, 이미 이 법칙의 트랜드는 더이상 집적회로의 발전을 예측해 주지 못하는데, 그 이유는 집적회로의 크기가 더이상 작아지지 못할 만큼 너무나 작아져 버렸기 때문입니다. 실제 현재 만들어지고 있는 집적회로 내부의 트랜지스터라는 주요부품은 그 크기가 거의 원자 단위에 가까운 14 나노미터(nm)정도인데, 이는 우리 몸속의 적혈구보다도 약 50배 정도 작은 크기에 해당합니다.

 

문제는 이렇게 작은 미세구조에서는 우리가 일상 생활에서 경험하지 못하는 양자역학적 현상이 필수적으로 고려되야 한다는 것에서부터 야기됩니다.

 

소위 고전역학이라고 불리우는 물리학은 천문학, 역학 등으로 유명했던 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei, 1564-1642), 떨어지는 사과와 중력법칙으로 유명한 뉴튼(Sir Isaac Newton, 1642-1726)등에 의해 오랜 세월동안 정립된 이론으로 지구상에서 움직이는 모든 물질들을 설명할 수 있는 법칙으로 여겨져 왔습니다.

 

그렇게 결코 무너지지 않을 것 같았던 고전역학의 아성은1900년대 초 아인슈타인 이후의 물리학자들에 의해서 미시세계의 원자, 전자 등의 움직임을 설명하기 위해서는 양자역학적 이해가 필요하다는 것이 알려지면서 물리학의 새 페이지를 양자역학에 넘겨주기에 이르게 됩니다.

 

양자역학은 우리의 상식으론 받아들이기 쉽지 않은 학문입니다. 그 이유는 양자역학에 따르면 세상의 모든 것은 정확하지 않고 확률적으로만 표현이 가능하다고 설명하고 있기 때문입니다.

 

즉, 제가 지금 칼럼을 쓰기 위해 책상 앞 의자에 앉아있는데, 양자역학적으로는 제가 이 자리에 앉아 있지 않고 다른 곳에 있을 수도 있다고 설명하고 있습니다.

 

이러한 설명이 말도 안되게 들리는 이유는 사실 수학적으로 ‘다른 곳에 있을 확률’이 너무나도 작아서 현실적으로 그런 일이 일어날 수 없게 되는 것이고, 이렇게 낮은 확률들을 ‘절대 일어날 수 없는 일’로 정의하는 순간 양자역학의 모든 내용이 고전역학의 그 내용들과 맞아들기 때문에 우리의 일상적인 삶에서 일어나는 모든 거시적인 일들은 고적역학으로 설명하는 데에 문제가 전혀 없었던 것입니다.

 

하지만, 원자와 전자와 같이 매우 작은 미시세계의 운동을 고려해 볼때에는 이러한 ‘다른 곳에 있을 확률’이 실제로 무시하지 못할 만큼 커지기 때문에 더 이상 고전역학적인 풀이가 불가능해지고 양자역학적인 이해를 가져올 수 밖에 없게 됩니다. 쉽게 설명드리자면, 제가 방과 방 사이에 있는 벽에 자꾸만 부딪친다고 해서 그 벽을 넘어서 반대편 방에 나타난다는 것은 불가능한 것이지만, 전자가 절대 넘어갈 수 없는 (벽과 비슷한) 에너지 장벽 근처에 위치하면 무시할 수 없는 정도의 확률로 에너지 장벽의 반대편에서도 발견되게 됩니다.

 

마치, 제가 옆 방으로 넘어가는 것과 마찬가지로 말입니다. 이것을 전자의 양자역학적 터널링 효과(quantum tunneling effect)라고 부르는데, 컴퓨터 집적회로내의 트랜지스터가 너무나 작아져서 이제는 이러한 터널링효과가 컴퓨터 연산의 오류를 만들게 되는 문제가 생겨나기 시작한 것입니다. 트랜지스터는 전류의 흐름을 제어함으로써 컴퓨터 연산의 기초가 되는 비트(bit) 신호를 만들어내는 기본 소자인데, 이때 흐르는 전류라는 것이 바로 전자의 흐름입니다.

 

이러한 전자들이 터널링 효과에 의해서 흘러가야 하는 통로를 벗어나 다른쪽 통로로 이동함으로써 비트신호에 오류가 만들어지게 되는 문제가 발생하게 되는 것입니다. 이러한 문제점은 양자역학적 특징에 의해서 생겨나는 것이기 때문에, 지금의 집적회로보다 더 작아진다면 절대 벗어날 수 없는 문제점이며, 이러한 이유로 집적회로는 이제는 더이상 작아질 수 없다는 결론에 다다르게 된 것입니다.

 

하지만, 늘 그렇듯 새로운 무언가가 만들어질 때에는 이 문제에 역발상적으로 다가가는 과학자들이 있게 마련입니다. 바로 그들이 생각해 낸 것이 양자역학적 효과를 벗어날 수 없다면, '차라리 이를 이용하는 것은 어떨까'라는 것이었고, 이러한 역발상으로 만들어진 것이 바로 양자컴퓨터의 원리입니다.

 

양자컴퓨터는 비트 대신에 큐비트(qubit)라는 기본 단위를 사용하는데, 이 큐비트는 이론적으로는 두개의 양자적 준위를 갖는 어떤 물리량으로도 만들어질 수 있습니다. 예를 들어 전자의 스핀값(spin quantum number), 광자의 편광(polarization)등이 그 예가 될 수 있습니다.

 

이 양자의 두개의 준위가 일반 컴퓨터의 비트값, 즉 0, 1을 대신하게 되는데, 일반 컴퓨터와의 가장 큰 차이점은 양자의 두개의 준위는 0과 1의 존재가 확률적으로 존재하기 때문에 실제적으로는 하나의 큐비트안에 0과 1의 정보가 동시에 들어있을 수 있습니다. 이를 양자적 중첩(superposition)현상이라고 하며, 공존하는 두개의 데이터는 그것을 읽어들이기 위한 측정이라는 행위에 의해서 '둘 중의 하나의 값'으로 결정되게 됩니다.

 

이를 이용하게 되면, 비록 결과로는 하나의 값이 도출된다는 것은 일반 컴퓨터와 같으나 하나의 큐비트에 중첩되어 들어있는 두가지의 정보를 양자적 정보처리 방식을 통하여 동시에 연산을 하여 결과를 가져올 수 있다는 것으로, 큐비트 20개만으로 1,048,576개의 정보를 처리하며, 또한 이들 정보를 하나하나 검색하는 것이 아니라, 한꺼번에 동시적으로 처리할 수 있기 때문에 양자컴퓨터는 이론적으로 데이터 저장 공간의 효율성, 그리고 데이터 처리 및 연산 속도에 있어서 현재의 일반 컴퓨터와는 비교할 수 없을 정도의 우월성을 갖게 되는 것입니다.

 

이런 면에서 양자컴퓨터는 데이터를 한꺼번에 처리해서 정해진 시간내에 예측결과를 알려줘야하는 기상예보를 위한 업무, 양자역학적 접근을 해야하는 미시세계 과학연구의 시뮬레이션 등의 분야에서 활용된다면 엄청난 효과를 가져올 것으로 예상되고 있습니다.

 

하지만 무엇보다 양자컴퓨터가 실제로 대중화된다면 가장 문제가 되는 것은 지금 현재 사용되고 있는 모든 디지털 암호체계입니다. 현재의 암호체계는 자리수가 많은 조합을 통해서 만들어지는 코드로서, 그 조합을 하나하나 해본다면 맞출 수 있지만, 가능한 조합이 너무나 많아서 그것을 다 해본다는 것이 불가능하다는 것을 이용하는 것인데, 양자컴퓨터는 수많은 조합을 한번에 처리할 수 있기 때문에 단순한 계산에 따르면 일반컴퓨터로는 10일 정도 걸리는 연산처리를 약 15분 정도에 끝낼 수 있다고 하니, 지금의 암호들은 수분 내에 전부 해독이 가능하다는 이야기가 됩니다.

 

이는 곧 현존하는 모든 암호체계가 새로운 구조를 도입해야만 한다는 것을 의미하는 것입니다. 물론 이러한 새로운 암호체계 역시 양자역학적인 특징을 이용해서 연구되고 있습니다.

 

이 모든 것들을 가능하게 할 수 있는 새로운 세계의 첫 문이 우리와 가까운 곳, 버나비의 한 연구소로부터 시작된다는 것이 흥미롭지 않으신가요? 물론 현재 그들이 만들어 내고 있는 양자컴퓨터는 걸음마단계이지만, 이를 바탕으로 또 다시 지금과는 너무나도 다른 신세계가 몇년 뒤 우리들이 현실로 실현되기를 기대해 봅니다. 

\

석준영(비센 학원장)