지금까지는 슈퍼컴퓨터 시대였다
내 기억으로 언제 컴퓨터를 접했을까? 대학을 다닐 때만 하더라도 컴퓨터를 본 기억이 안 난다. 66학번이었으니까 그 때 공병우 타자기는 본 기억이 난다. 사회에 나오니까 FAX기가 신문명이었다. 참으로 먼 나라에서도 전 신문을 실시간으로 받을 수 있었으니까 참으로 신기했다.
1980년대 이후 컴퓨터가 등장하고 이후 컴퓨터는 수십 년 동안 빠르게 발전하며 사회 모든 분야를 변화시키는 원동력이 돼왔다. 최근에는 인공지능(AI) 형태로까지 발전돼 대규모 데이터도 빠르고 정확하게 처리하면서 우리 일을 돕고 있다. 그러나 현존하는 엄청난 성능의 슈퍼컴퓨터도 이미 인간의 상상력이나 원하는 바를 뒷받침하기에는 한계가 있다.
예를 들어 현재 컴퓨터 성능을 가지고는 내 앞에 놓인 커피에 들어 있는 카페인 분자의 상세한 화학 구조와 특성을 완벽하게 파악할 수 없다. 카페인의 분자식은 'C8H10O2N4'다. 카페인 분자 하나당 탄소원자 8개, 수소원자 10개, 산소원자 2개, 질소원자 4개로 구성된다.
.지금껏 존재하는 모든 컴퓨터 메모리와 연산처리 능력을 끌어 모아도 카페인 분자 구조를 모델링하고, 구성 원소들의 상호작용과 에너지 크기를 완전히 이해하고 계산할 수 없었다. 그런데 양자컴퓨터(Quantum Computer)가 등장해 판도를 바꿀 태세다.
양자컴퓨터의 역사
양자컴퓨터는 물질의 양자적 성질을 활용해 디지털 컴퓨터보다 압도적인 연산 능력으로 주목받는 분야다.
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| 사진 자료 출처 : 한국기초과학지원연구원 카드 뉴스 참조 |
양자컴퓨터의 개념은 1982년 미국의 이론 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)에 의해 처음 제안됐고, 1985년 영국 옥스포드대의 데이비드 도이치(David Deutsch)에 의해 구체적인 개념이 정립되었다. 그 후 1985년 IBM에서 정부차원의 지원을 받으며 처음으로 본격적인 양자컴퓨터 연구를 시작했다.
미국에서는 암호 해독에 관심이 높은 국방성과 CIA, 국가안보국(NSA) 등에서 지속적으로 큰 관심을 갖고 지원했다. 1997년 IBM의 아이작 추앙이 최초의 2비트 양자컴퓨터를 만들었고, 이후 IBM 알마덴 연구소와 로스알라모스 연구소에서 7비트 양자컴퓨터 개발에 성공했다. 우리나라에서도 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이순철 교수가 3비트 양자컴퓨터를 개발했다. 그리고 IBM이 상용화시킨 20큐비트 양자컴퓨터 'Q시스템'을 2017년 12월 삼성전자를 비롯해 JP모건(JP Morgan), 다임러(Daimler AG) 등이 처음으로 도입했다. IBM은 현재 가동이 가능한 50큐비트 양자컴퓨터 프로토타입 개발에 성공했다.
양자컴퓨터의 원리
'양자(quantum)'는 띄엄띄엄한 양이라는 의미로 라틴어에서 나온 영어다. 그 옛날 학교에서 물리 시간에 공부했던 기억이 난다. 세상이 물, 불, 흙, 공기로 만들어졌다는 플라톤의 주장과, 움직이는 물체는 결국 정지한다는 운동의 법칙을 말한 아리스토텔레스, 아리스토텔레스의 운동 법칙을 거스른 관성의 법칙을 확립한 갈릴레오, 갈릴레오의 운동 법칙을 수식화 하면서 마침내 자연법칙에 공리 체계를 갖추게 한 뉴턴 등 천재들의 세상 보는 눈에 의해 우리의 지성은 발전해왔다.
적지 않은 사람들이 고전 역학이나 상대성 이론은 알면서도 양자 역학은 완전하게 이해할 수 없다는 이유 때문에, 기존 물리학에 대한 열등감을 벗을 수 있다는 희망으로 양자 역학에 뜨거운 관심이 간다.
양자 역학은 원자 세계를 기술한 학문으로, 전자가 어떻게 돌아다니는지를 기술하는 분야다. 그러나 막상 양자 세계를 들여다보면 지금까지의 관찰과 실험의 영역을 뛰어넘는다. 양자 역학은 우리의 직관이나 상식 및 언어 등의 인식 관념을 통째로 바꿀 것을 요구한다.
양자컴퓨터는 양자역학에 기반을 둔 컴퓨터다. 슈퍼컴퓨터는 가장 작은 정보 단위인 비트(bit)의 이진법을 사용해서 정보를 계산하고 처리한다. 비트가 '0' 아니면 '1'의 상태, 즉 '참' 아니면 '거짓'의 상태로 존재한다는 간단한 논리다. 비트 하나 당 한 가지 정보가 저장되니, 천개의 정보를 저장하려면 최소 천 비트가 필요하다.
양자컴퓨터도 비트를 사용하긴 하지만, 단순하게 0 또는 1이 아닌, 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트(qubits)를 사용한다. 2개의 큐비트로는 00, 01, 10, 11의 상태를 동시에 표시할 수 있다. 큐비트가 10개라면 2제곱10개, 즉 1024개의 연산이 가능하다. 이처럼 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량이 기하급수적으로 늘어난다.
양자컴퓨터의 실체
작년 3월 국제학술지 '네이처'는 두 가지 주목할 만한 논문을 발표했다. 하나는 원자 하나에 디지털 신호를 담는 기술이고 다른 하나는 물질의 새로운 상태를 발견했다는 것이다.
네이처는 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학 연구단장(이화여대물리학과 석좌교수)이 원자 하나 하나에 1비트 정보를 안정적으로 기록하고 읽는데 성공했다고 발표했다. 정보를 저장하고 처리하는데 반도체 대신 원자를 이용할 수 있게 됐다는 의미다.
실리콘반도체는 트랜지스터 크기를 줄여가면서 저장 용량을 늘리고 처리속도를 높여 왔지만 한계에 이른 상황이다. 현재 10nm(나노미터·10억분의1m)공정이 개발됐지만, 작은 간격으로 회로를 설계하면 터너링 현상으로 인한 간섭이 발생해 더 이상 회로를 고도화해 성능을 높이는 것이 힘들다.
연구팀은 홀뮴(Ho) 원자 1개로 1비트를 읽고 쓰는데 성공했다. 홀뮴으로 USB를 만들면 영화 50만 편 저장이 가능하다. 양자컴퓨터는 큐비트 연산을 한다. 양자물리학을 사용해 기존 컴퓨터가 연산하는 방법과 완전히 다른 방법으로 데이터를 처리한다.
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| 사진 자료 출처 : 한국기초과학지원연구원 카드 뉴스 참조 |
이를 통해 양자컴퓨터는 현재 슈퍼컴퓨터보다 수십만 배에서 최대 1억 배 높은 성능을 제공하며 슈퍼컴퓨터로 처리하는데 150년 걸리는 데이터를 4분 만에 처리할 수 있다.
네이처는 또 표지논문을 통해 한국인 과학자들이 "시간 결정(结晶)을 구현하는데 성공했다"고 발표했다. 시간 결정은 물질의 특수한 상태로 지금까지 이론으로만 존재하다가 이번에 처음 실험으로 구현했다. 시간 결정은 물질이 공간이나 시간에 따라 불변인 형태를 갖고 있다는 '대칭 이론'을 깨는 것으로 향후 양자 컴퓨팅 개발에 새로운 전기를 마련해 줄 것으로 평가했다.
이에 따라 양자컴퓨터 개발에 속도가 붙을 전망이다. 구글과 IBM, 마이크로소프트, 인텔 등 글로벌 기업들이 앞 다투어 양자컴퓨터 개발에 본격적으로 나서고 있다.
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| 이동호 회장, KIC고문, 칼럼리스트 |
(下편이 곧 이어집니다)
김만섭 기자 kmslove21@hanmail.net
