양자역학을 이용해 기존 슈퍼컴퓨터보다도 수 백만 배 빠른 양자컴퓨팅 기술 개발에 5년간 445억원이 투입된다. 과학기술정보통신부는 이와 관련해 ‘양자컴퓨팅 기술개발사업 추진계획’과 ‘2019년도 차세대 정보컴퓨팅기술개발 사업추진계획’을 확정하고 본격적으로 사업을 추진한다고 31일 밝혔다. 과기부는 최근 중국과 미국을 비롯해 세계 각국에서 경쟁적으로 개발에 나서고 있는 미래형 컴퓨터인 양자컴퓨터 핵심기술을 국내에서 자체적으로 확보하기 위해 오는 2023년까지 5년간 하드웨어는 물로 알고리즘, 아키텍쳐, 소프트웨어 등 다양한 양자컴퓨팅 분야에 445억원을 투입한다. 사업의 첫 해인 올해는 60억원이 투자될 예정이다. 우선 오는 2023년 5큐비트급 신뢰도 90%의 양자컴퓨팅 시스템을 실증할 계획이다. 현재의 컴퓨터는 0과 1 상태를 하나씩만 표시하는데 양자컴퓨터의 연산단위인 큐빗은 양자비트 하나에 0과 1의 상태를 동시에 표시할 수 있는 것이다. 또 기존 슈퍼컴퓨터로도 풀 수 없는 원자나 분자단위의 복잡한 물리현상을 풀어낼 수 있는 양자 알고리즘인 양자시뮬레이터를 개발해 경제적으로나 사회적으로 파급효과가 높은 문제해결에 뛰어들 계획이다. 이와 함께 국내 양자컴퓨팅 연구저변을 넓히기 위해 과학과 공학 분야 융합연구를 촉진하고 국제협력을 강화해 나가기 위한 연구생태계 조성에도 자금이 투입된다. 한편 시스템 소프트웨어와 소프트웨어공학, 정보지능시스템, 휴먼컴퓨터인터랙션 등 4개 분야의 핵심원천기술 개발을 위해 134억원이 투입될 계획이다. 고서곤 과기부 기초원천연구정책관은 “기초원천연구와 기술개발 및 실증, 기업지원을 패키지형으로 연계해 과학기술과 정보통신 기술을 융합해 시너지효과를 높이는데 초점을 맞출 것”이라고 말했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

현대 사회에서 없어서는 안 될 것들을 꼽으라면 많은 사람들이 ‘컴퓨터’를 꼽는다. 1946년 2월 1만 8000여개의 진공관으로 만들어진 ‘애니악’을 시작으로 컴퓨터 기술은 눈부시게 발전해 ‘손안의 컴퓨터’라고 불리는 스마트폰으로까지 진화했다. 1950년대 이후 트랜지스터가 발명되고 반도체 집적회로 기술이 발전하면서 컴퓨터도 점점 소형화, 고성능화되고 있지만 현재 기술로는 소자를 원자 하나 이하로 구현하기는 불가능해 컴퓨터 성능도 한계에 이르렀다는 평가가 지배적이다. 그래서 나온 것이 양자컴퓨터(Quantum Computer) 개념이다.현재 컴퓨터는 0과 1이라는 2진법을 1비트로 정보를 저장하고 처리한다. 그렇지만 양자컴퓨터는 양자역학의 불확정성 원리에 따라 서로 다른 특징을 갖는 상태가 중첩되는, 즉 0과 1을 동시에 표시할 수 있는 ‘큐비트’로 정보를 처리한다. 서로 다른 정보를 동시에 표시할 수 있기 때문에 처리 속도는 물론 컴퓨터가 처리할 수 있는 정보량도 현재 사용하고 있는 컴퓨터와는 비교할 수 없을 정도가 된다. 실제로 양자컴퓨터가 상용화될 경우 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터로도 수천년이 걸릴 문제를 몇 분 만에 풀 수 있기 때문에 ‘꿈의 컴퓨터’로 불린다. 미국 구글이나 IBM 같은 기업과 연구소, 대학들이 개발에 박차를 가하고 있지만 상용화에는 이르지 못하고 있다. 또 양자의 불확정성이라는 특징을 이용한 양자통신은 복제나 도·감청을 원천 차단하는 기술로 주목받고 있다. 양자 상태에 정보를 기록해 송신자와 수신자가 정보를 주고받기 때문에 중간에 해커가 도청을 하는 순간 양자 상태 자체가 변한다. 이렇게 되면 수신자는 데이터에 대한 해킹 시도를 쉽게 파악할 수 있고 해킹 시도된 정보를 폐기해 버리면 되기 때문에 도청이 원칙적으로 불가능해진다. 이 같은 양자컴퓨터와 양자통신의 장점들 때문에 각국 정부는 관련 기술 개발에 관심을 갖고 다양한 정책들을 내놓고 있다. 양자 관련 기술개발에 가장 발 빠르게 움직이고 있는 곳은 중국이다. 2000년대 초 중국은 중장기 과학기술개발계획에 양자정보연구 계획을 포함시켜 국립자연과학연구소, 국방과학기술대, USTC 등에서 관련 연구를 진행 중이다. 그 덕분에 지난해 8월 중국 과학기술대(USTC) 연구팀은 세계 최초로 양자통신 인공위성인 ‘양자’호를 발사하고 지난달에는 칭하이 덩리하 기지와 1200㎞ 떨어진 윈난 기지 간 양자통신에도 성공했다. 미국 역시 2009년에 국가양자정보과학비전을 발표하고 지난해 7월에는 양자정보과학 발전계획을 발표해 산학연 연계 방식으로 양자정보통신 기술 개발에 나서고 있다. 유럽연합도 지난해 5월 양자정보통신 성명서를 발표하고 양자통신, 양자네트워크, 양자인터넷 등 단계별 중장기 연구개발 목표를 설정해 놓고 있다. 우리나라 역시 2014년 말 당시 미래창조과학부(현 과학기술정보통신부) 주관으로 양자정보통신 중장기 추진전략을 수립했지만 다른 나라에 비해 한발 늦은 후발주자 신세다. 앞서가는 선진국들을 따라잡기 위한 대책 마련을 위해 지난 18일 한국과학기술한림원이 ‘양자통신, 양자컴퓨터의 부상’이라는 주제로 원탁토론회를 열었다. 이 자리에서는 지난 2월 북한 김일성종합대 물리학과 김남철 교수팀이 광자를 이용한 양자정보처리 기술에 대한 논문을 기초과학 및 공학 분야 국제학술지 ‘사이언티픽 리포츠’와 물리학 분야 국제학술지 ‘플라즈모닉스’에 발표했다는 사실이 공개되기도 했다. 이들 연구는 북한 정부 차원의 국가 주요 연구과제로 진행되고 있는 것으로 밝혀졌다. 문성욱 한국과학기술연구원(KIST) 양자정보연구단장은 “양자컴퓨팅 연구는 광자, 이온, 초전도체, 반도체 등 다양한 방식으로 연구되고 있지만 상용화에 성공하는 기술은 어떤 것이 될지 아무도 예측할 수 없다”면서 “양자컴퓨팅이나 양자통신 기술이 상용화되면 엄청난 기술 도약의 계기가 될 것이기 때문에 다양한 형태의 기초연구를 동시에 지원하는 정책이 필요하다”고 강조했다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

양자컴퓨터는 미시세계의 물리 현상을 표현하는 양자역학에 기반한 차세대 계산 장치다. 양자컴퓨터의 가능성은 1982년 노벨 물리학상 수상자로 유명한 미국의 물리학자 리처드 파인먼이 처음으로 제안했다. 그로부터 35년이 흐른 지금, 양자컴퓨터의 일부가 구현됐으나 상용화까지는 아직 커다란 숙제로 남아 있다. 현대 컴퓨터의 성능은 몇 년 안에 공정상의 물리적 한계로 인해 성능 발전의 정체기가 도래할 것이라고 한다. 이러한 이유로 양자컴퓨터를 비롯한 차세대 컴퓨터 기술이 우리가 지향해야 할 미래기술로 다시 조명받고 있다. 양자컴퓨터의 특성은 정보를 저장하는 단위로부터 설명할 수 있다. 현대의 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 ‘비트’가 단위이다. 반면 양자컴퓨터는 00, 01, 10, 11과 같이 두 개의 이진수로 정보 저장이 가능하고 3개 이상의 이진수로도 표현할 수 있다. 이것이 ‘큐비트’라는 단위인데, 정보 저장과 처리의 관점에서 기존의 컴퓨터 대비 곱절 이상의 효율을 달성할 수 있다는 것이다. 양자컴퓨터의 대표적인 적용 분야는 소인수분해이다. 소인수분해를 계산하기 위한 컴퓨터 알고리즘은 우리가 중학교 때 배웠던 방식과 크게 다르지 않다. 소수를 일일이 대입해 보고 나눠지는지를 판단하는 작업의 반복이기 때문에 상당한 계산 능력을 요구한다. 실제로 193자리의 수를 소인수분해하는 데에 80개의 연산처리장치(CPU)를 사용해 5개월이나 걸렸다. 양자컴퓨터를 활용한 소인수분해 알고리즘은 1994년 처음으로 소개됐는데, 계산에 소요되는 시간을 수백분의1로 줄일 수 있다는 것을 이론적으로 증명했다. 양자컴퓨터가 상용화되면 소수 기반의 암호체계가 모두 무용지물이 될 것이라는 우려는 바로 이러한 알고리즘 때문이다. 지금까지 양자컴퓨터가 소인수분해에 성공한 가장 큰 수는 2014년의 ‘56153’이었다. 더 큰 수의 해석은 아직 이뤄지지 못했다. 이 사실을 보면 양자컴퓨터 기술은 아직 갈 길이 멀다. 양자컴퓨터의 양자적 특성은 외부환경에 매우 민감하고 극저온 환경에서 동작하기 때문에 현실과 과학기술의 장벽이 여전히 높은 분야이다. 우리나라에서도 양자컴퓨터에 대해 적극적인 관심을 갖고 지원하고 있다. 기초과학연구원에서는 양자컴퓨터의 원천기술 확보를 위한 연구를 진행 중이고 미래창조과학부도 올해 업무계획에서 양자컴퓨터 연구개발 지원을 언급했다. 여기서 우리가 추가적으로 지향해야 할 방향은 양자컴퓨터의 소프트웨어 기술이다. 양자컴퓨터상에서의 코딩은 큐비트를 다뤄야 하기 때문에 일반적인 코딩과 그 범주를 달리한다. 원천기술 확보와 더불어 양자컴퓨터 시대에 대비한 소프트웨어 기술 육성이 중요한 이유다.

지난 수십년 동안 인간 사회 발전에 컴퓨터가 기여한 바는 지대하다. 커다란 방 크기의 컴퓨터가 지니고 있던 능력을 뛰어넘는 스마트폰이 이제 거의 모든 사람의 삶의 중심에 있다 해도 과언이 아니다. 나아가 여러 장치가 서로 연결된 4차 산업혁명, 빅데이터에 의한 인공지능 등 하루가 다르게 새로운 발전이 있을 것 같다.그런데 컴퓨터의 하드웨어적 한계는 예정돼 있다. 비트라 불리는 0과 1을 다루는 매우 간단한 연산자들의 집적으로 이루어져 있는 하드웨어 소자는 이제 거의 원자 크기에 근접할 정도로 작아졌다. 원자의 세계를 지배하는 양자역학에 따르면 이런 고전적 튜링 방식의 연산은 더이상 발전할 수 없다.기존 컴퓨터에 대한 대안은 무엇이 있을까. 물리학자들은 오래전부터 양자컴퓨터라는 완전히 새로운 방식의 컴퓨터를 꿈꿔 왔다. 양자물리학의 세계에서는 0과 1의 분명한 구분이 없고 0과 1의 값을 가질 확률만이 의미가 있는 것이다. 이런 확률적 최소 단위를 큐비트라 부른다. 작은 자석처럼 행동하는 원자를 활용하면 큐비트를 구현할 수 있다. 큐비트가 2개 있으면 2의 제곱만큼 많은 정보가 있게 되고 큐비트의 수가 커짐에 따라 정보량이 기하급수적으로 많아지게 된다. 원자 20개만 있어도 20배가 아닌 백만배로 커진다. 따라서 50큐비트만 있더라도 기존 컴퓨터의 능력을 이미 상회하고 300큐비트만 있으면 우주 전체의 원자수보다도 큰 정보를 다룰 수 있게 된다는 말이다. 양자컴퓨터는 대규모 데이터 검색이나 나노물질의 디자인 등에 탁월한 능력을 보일 것으로 예측되고 있다. 소인수분해는 자릿수가 커지면 기하급수적으로 하기 어려워진다. 232자리를 가진 수를 소인수분해 하려면 현재로선 기존 컴퓨터 수백대를 2년 동안 돌려야 한다. 그렇기 때문에 소인수분해는 컴퓨터의 암호화에 활용되고 있다. 그러면 현재 실제 작동하는 양자컴퓨터는 어디까지 발전했을까. 2012년 4개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터는 15를 3과 5로 소인수분해 했다. 5년이 지난 지금은 이보다 낫지만 기존의 컴퓨터를 뛰어넘는 계산 능력은 아직 발휘하지 못하고 있다. 또 외부 온도가 높아지면 에러가 나기 때문에 섭씨 영하 270도 이하의 극저온에 장치를 넣어야 하는 문제도 안고 있다. 기본적으로 원자나 광자 하나를 제어할 정도로 정밀함이 필요하기 때문에 장치의 크기도 훨씬 크고 복잡하다. 상업적으로 나와 있는 것들은 아직 본격적 양자컴퓨터라 부르기엔 이르다. 이런 문제를 곰곰이 생각하고 있는 나의 뇌를 떠올려 보면 훨씬 작고 다양한 기능을 수행하는 컴퓨터는 얼마든지 가능해 보인다. 물론 단순하게 빠른 계산에서는 컴퓨터보다 느릴지 모르나 서번트 증후군이 있는 레인맨 같은 사례를 보면 인간의 뇌에는 아직 활용되지 않는 부분이 있을 것이다. 뇌가 과연 양자컴퓨터일까. ‘황제의 새 마음’이란 책을 낸 천재 수리물리학자 로저 펜로즈는 ‘마이크로 튜블’이라는 새로운 단백질 구조가 뇌를 양자컴퓨터로 만들고 인간의 자의식을 만들어 낸다고 주장한 바 있다. 물론 그의 주장은 잘 받아들여지지 않았다. 양자컴퓨터란 외부의 잡음이 차폐돼야 하는데 인간의 체온은 양자컴퓨터를 유지하기에는 너무 높다는 지적도 있다. 그럼에도 불구하고 최근 매우 재미있는 연구 결과를 매슈 피셔라는 이론물리학자가 발표했다. 그는 안정제로 사용되는 리튬이 화학적으로는 동일한 동위원소에 따라 결과가 전혀 다르게 나온 1986년의 쥐에 대한 실험 결과를 유심히 살펴본 뒤 리튬 핵의 자성이 뇌에 영향을 미칠 수 있는 가능성에 착안, 뇌 속 인(P)에 의한 양자컴퓨터의 가능성을 제안하게 됐다. 정신과에서 사용하는 약이 어떤 메커니즘으로 작용하는지 전혀 모르면서 사용되고 있는 현실에 새로운 빛을 던지고 궁극적으로 뇌에 대해 이해하게 하는 한편 인간의 뇌를 닮은 컴퓨터를 상상하게 만드는 재미있는 연구 결과다. 과학은 항상 경이로움을 준다.

12만년 전 기후를 분석해 인류의 이동 경로를 분석한 지구과학자와 세계에서 가장 작은 영화를 만들어 칸 국제광고제에서 황금사자상을 받은 양자물리학자가 국내에서 기후변화와 양자컴퓨터 연구를 시작한다. 기초과학연구원(IBS)가 액슬 티머먼(47) 미국 하와이대 교수와 안드레아스 하인리히(48) 이화여대 석좌교수를 각각 기후물리연구단과 양자나노과학연구단 단장으로 임명했다고 4일 밝혔다. 기후물리연구단 단장인 티머먼 교수는 독일계 과학자로 막스플랑크 기상학연구소를 거쳐 하와이대 해양학 교수로 재직 중이며 해양기후학 분야에서 대표적인 석학이다. 지난해에는 12만5000여년 전 기후변화를 추적해 초기 인류의 이동경로를 밝힌 연구를 세계적인 과학저널 ‘네이처’에 발표해 학계는 물론 대중들의 주목을 받은바 있다. 티머먼 단장은 엘니뇨 상호작용과 기후변동, 고(古)기후역학 등을 중점 연구하면서 기후에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려해 모델을 만들고 슈퍼컴퓨터 시뮬레이션을 통해 과거, 현재 그리고 미래의 기후변화에 대한 종합적 연구를 할 계획이다. 양자나노과학연구단 단장으로 임명된 하인리히 교수도 독일계 과학자로 지난해 이화여대에 임용되기 전까지 IBM 알마덴 연구소에서 20여년간 고체물리학과 광학연구를 해왔다. 특히 주사터널링현미경(Scanning Tunneling Microscope·STM) 분야 최고 권위자로 알려져 있다. STM은 전자의 양자역학적 성질을 이용해 물질 표면의 이미지를 원자 수준까지 확보할 수 있는 장비다. 수평 방향으로는 0.1㎚(나노미터), 수직으로는 0.01㎚ 가량의 고해상도를 보이기 때문에 원자를 하나씩 보거나 움직이게 할 수도 있다. 하인리히 단장은 2013년 구리 기판 위 일산화탄소 분자들을 하나씩 옮겨 만든 스톱모션 애니메이션 ‘소년과 그의 원자’라는 작품으로 칸 국제광고제 황금사자상을 받고 기네스북에 세계에서 가장 작은 영화로 이름을 올리기도 했다. 하인리히 단장은 원자 단위의 양자적 특성을 연구해 양자컴퓨팅의 정보 기본단위인 큐비트의 원자 수준 제어를 목표로 연구할 예정이다. 양자컴퓨터는 현재 있는 슈퍼컴퓨터로도 1000년이 걸리는 계산을 양자 알고리즘을 이용해 4분 만에 답을 낼 수 있는 미래형 컴퓨터로 구글은 물론 MS 등에서도 양자컴퓨터 개발을 위해 인력과 자금을 대거 투입하고 있는 상황이다. 김두철 IBS 원장은 “이번에 새로 만든 신규 연구단은 사회적, 경제적 파급효과가 큰 기초과학을 연구하게 될 것이며 연구단을 이끄는 과학자들도 독창적 연구로 세계적인 명성을 얻고 있는 최고 수준의 학자들”이라며 “한국의 기초과학이 새로운 지식의 영역을 개척하고 전 지구적 이슈에 대응하는데도 큰 역할을 하게 될 것”이라고 말했다. 한편 이번 2개의 연구단이 신설되면서 IBS는 총 28개의 연구단을 갖추게 됐고 이 중 외국인 연구단장은 10명(한국계 4명 포함)으로 늘었다. 유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr

●英, 560억 투입 5년 프로젝트 “양자컴퓨터가 왜 중요하냐고요? 물론 지금의 디지털컴퓨터도 대부분의 문제를 잘 처리합니다. 그러나 스마트시티를 운영하는 것과 같은 어마어마한 양의 빅데이터를 처리하는 일은 할 수 없어요. 양자컴퓨터는 가능해요. 디지털컴퓨터가 데이터를 하나하나 순차적으로 처리하는 반면 양자컴퓨터는 동시에 여러 데이터를 처리하기 때문이죠.” 도미닉 오브리언 영국 옥스퍼드 공과대학 교수는 양자컴퓨터의 개발 필요성을 묻는 질문에 이렇게 답했다. 영국 정부는 2014년 양자정보기술 연구소를 출범시키고 5년간 3800만 파운드(약 560억원)를 투자하는 프로젝트를 진행 중이다. 옥스퍼드대 등 9개 대학이 참가한 이 프로젝트에서 오브리언 교수는 광전자공학(빛을 이용한 기술)을 연구하며 양자컴퓨터 개발에 힘을 쏟고 있다. 그는 “양자컴퓨터는 지금의 슈퍼컴퓨터로 수십년 걸리는 계산을 단숨에 할 수 있다”며 “인공지능(AI)을 훨씬 똑똑하게 만들 수 있다”고 말했다. 구글 ‘알파고’와 IBM ‘왓슨’ 등의 등장으로 AI는 한 단계 진보했지만, 인간 뇌의 놀라운 정보 처리 능력과 에너지 효율성은 결코 따를 수 없다. 알파고는 바둑에서 이세돌 9단을 이겼지만 중앙연산장치 1201개와 그래픽 처리장치 176개를 동원했다. 170㎾의 전력을 사용해 이세돌의 20w(하루 권장 칼로리 2400kcal를 환산)보다 8500배나 많은 에너지를 썼다. 인간 뇌와 비슷한 크기로 인간만큼 생각할 수 있는 AI를 만드는 건 지금의 컴퓨터로는 불가능한 것이다. ●‘결 어긋남’ 현상 등 과제 많아 그러나 양자컴퓨터 개발이 완성된다면 AI도 비약적인 발전을 이룰 수 있다. 디지털컴퓨터는 0과 1의 신호(비트)로 표시되는 2진법으로 연산하고, 한 비트에 하나의 정보를 저장한다. 그러나 양자컴퓨터는 양자의 고유 특성인 얽힘 현상을 이용해 0과 1이 중첩된 신호(큐비트)를 사용한다. 즉 00, 01, 10, 11의 4가지 상태를 만들어 정보를 저장하는 것이다. 큐비트 수의 제곱으로 상태를 나타낼 수 있어 큐비트가 늘어날수록 한번에 처리할 수 있는 정보의 양도 기하급수적으로 증가한다. 오브리언 교수는 “양자컴퓨터는 보안성과 전력 소모량도 디지털컴퓨터에 비해 우수하다”며 “그러나 양자의 얽힘 상태가 외부 환경에 의해 깨지는 ‘결 어긋남’ 현상 극복 등 풀어야 할 과제가 많다”고 말했다. “영국 정부가 양자컴퓨터 개발에 대규모 예산을 투입한 건 미래를 내다본 판단입니다. 구글 등 미국의 글로벌 IT 기업들이 양자컴퓨터 개발에 박차를 가하고 있으나 전통적인 물리학 강국 영국도 결코 뒤처지지 않을 겁니다.” 옥스퍼드 임주형 기자 hermes@seoul.co.kr

과학자들이 마침내 데이터를 텔레포트시키는 방법을 발견해냈다. 지난달 29일(현지시간) 미국 뉴욕타임스 보도에 따르면 네덜란드 델프트공과대학 카블리 나노과학연구소 연구진이 3m 떨어진 2개의 양자비트 사이에서 신뢰할 수 있는 텔레포트를 가능하게 했다고 미국 사이언스지 최신호에 발표했다. 뉴욕타임스는 “네덜란드 과학자들이 알버트 아인슈타인이 ‘멀리서 일어나는 으스스한 행동’이라고 언급한 가장 유명한 실수를 반증하는 데 한 걸음 나아갔다”고 말했다. 이 실수는 얽힌 상태에 있는 양자들이 공간의 제약 없이 서로 영향을 준다는 양자역학에서 제안되고 있는 ‘비국지성’(Nonlocality)이란 성질을 말한다. 연구진이 시행한 양자의 순간이동은 사람이나 사물을 이동시키는 ‘스타트렉’ 방식을 말하는 것은 아니다. 이른바 ‘양자정보’(이 경우, 전자의 스핀 상태를 말함)를 이 정보가 포함된 물리적 물질의 이동 없이 해당 위치에서 다른 위치로 이동하는 것이다. 컴퓨터 연산에서 정보의 기본 단위인 기존의 비트는 두 가지 중 하나의 값(0 또는 1 중 하나) 밖에 나타낼 수 없지만, 양자비트(큐비트)는 동시에 많은 값을 표현할 수 있다. 이는 앞으로 보다 빠른 컴퓨터 연산 시스템과 완벽하게 안전한 통신 네트워크 모두를 실현할 수 있다는 것이다. 또 과학자들은 아인슈타인의 ‘양자 얽힘’ 개념에 대한 의심이 틀렸다는 것을 확실하게 입증하는 데 접근했다. ‘양자 얽힘’은 수광년이나 떨어진 입자 중에서 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태에 즉시 영향을 주는 연결된 상태를 말한다. 연구진은 비록 짧은 거리지만 양자정보의 아주 정확한 순간이동을 달성했다고 밝혔다. 이들은 이제 이 실험을 1km 이상 거리에서 재현할 계획이다. 이 거리에서 양자 얽힘이 일어날 수 있다는 것이 반복적으로 확인되면 얽힘 현상과 양자역학 이론은 확실하게 입증된다. 더 떨어진 거리에서 성공하게 되면 ‘벨의 정리’라는 사고실험에 긍정적인 해결책을 제시하게 된다. 이 정리는 1964년 아일랜드의 물리학자 존 스튜어트 벨이 제안한 것으로 양자 얽힘으로 연결된 입자들이 광속보다 빠르게 정보를 전달할 수 있는지를 결정하는 방법이다. 이번 연구를 이끈 로날드 한슨 박사는 “아인슈타인의 실수를 반증하기 위해 5~6팀이 열띤 경쟁을 벌이고 있다”면서 “이번 연구는 가장 큰 성과일 것”이라고 말했다. 기존에 과학자들은 불완전하지만 양자정보를 순간이동하는 성과를 내왔다. 이는 물리적으로 양자비트를 얽힘 상태가 되도록해 달성한 놀라운 성과이지만 그 신뢰성은 불안했다. 예를 들어 2009년에 미국 메릴랜드대학의 물리학자들은 양자정보의 전송을 시연했지만 1억번 중 단 1번만 성공했다. 이는 단일 비트의 양자정보를 전송하는데 약 10분이 소요되는 것을 의미한다. 이와 달리 네덜란드 연구진은 양자상태에 있는 두 얽힌 전자를 정확하게 100% 텔레포트시켰다. 이는 극저온의 다이아몬드에 갇힌 전자를 사용해 만든 양자비트로 가능했다. 다이아몬드는 전자를 유지하는 ‘미니 감옥’을 효과적으로 만든다고 한슨 박사는 설명했다. 연구진은 전자에 스핀(값)을 설정하고 신뢰할 수 있는 방법으로 그 값을 읽어내는 데 성공했다. 이는 강력한 양자인터넷의 가능성 외에 양자컴퓨터 네트워크의 가능성을 기약한다고 연구진은 말한다. 하지만 특정한 클래스에 있는 문제를 가장 강력한 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠르게 해결할 수 있는 양자컴퓨터의 실용화는 아직 머나먼 목표다. 기능적으로 양자컴퓨터는 다수의 양자비트를 얽힘 상태로 만들고 해당 얽힘 상태를 비교적 오랜 기간 유지해야할 필요성이 있다. 이는 아직 달성하기에는 머나먼 과제인 것이다. 또한 한슨 박사는 양자 네트워크가 보급화되면 새로운 형태의 개인정보 보호가 실현될 것이라고 말한다. 즉 이런 네트워크는 원격의 사용자가 양자 계산을 하나의 서버에서 실행할 때 그 서버의 운영자는 그 계산의 본질을 측정할 수 없도록 하는 것이 가능해진다는 것이다. 윤태희 기자 th20022@seoul.co.kr

올해 노벨 물리학상은 ‘미래의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리를 밝혀낸 두 양자물리학자에게 돌아갔다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 9일(현지시간) 세르주 아로슈(왼쪽·68) 콜레주 드 프랑스 교수와 데이비드 와인랜드(오른쪽·68) 미국립표준기술연구소 박사를 노벨 물리학상 수상자로 선정했다. 위원회는 “이들은 양자(원자·광자·이온 등 미시세계에서 운동량과 위치를 동시에 파악할 수 없는 개별 입자 단위의 통칭) 입자를 파괴하지 않고 관찰하는 장치를 만들어 양자 물리학을 획기적으로 발전시켰다.”고 밝혔다. ●정의할 수 없는 ‘중첩’ 현상 관측 두 사람은 각기 다른 방식으로 양자 하나를 잡아둔 채 실험을 진행, 기존에 입증되지 않았던 각종 성질을 발견했다. 아로슈 교수는 정밀도가 높은 거울 사이에 빛의 입자인 광자(포톤) 하나를 가둔 뒤 원자를 통과시켜 광자의 성질을 파악했고, 와인랜드 박사는 전기를 띤 원자(이온) 하나를 전기장 안에 넣은 뒤 레이저 형태인 광자로 자유자재로 다룰 수 있는 ‘이온 덫’을 개발했다. 특히 이 과정에서 두 사람은 하나의 양자가 단순히 사라지거나 없어지는 것이 아닌 뚜렷하게 정의할 수 없는 ‘중첩’ 현상을 관측했다. 아로슈 교수의 제자인 제원호 서울대 물리학과 교수는 “양자처럼 극도로 미시의 영역에서는 양자 하나하나의 상호관계를 파악해야 근본적인 원리를 이해할 수 있다.”면서 “두 사람은 기존에 불가능하다고 여겨졌던 양자 단위의 조작을 구현하고, 이론적으로만 알려졌던 ‘중첩’도 관측하는 데 성공했다.”고 설명했다. ●양자물리학 획기적 발전 공헌 두 사람의 실험은 ‘0’과 ‘1’의 방식으로 정보를 표현하는 디지털컴퓨터와 달리 ‘0’과 ‘1’이 동시에 겹쳐서 나타나는 형태로 정보를 전달하는 양자컴퓨터가 실제로 만들어질 수 있다는 토대를 제공했다. 디지털컴퓨터는 수십만개의 전자로 0 또는 1 하나만을 표현할 수 있고, 10배로 시스템이 늘어나면 10배의 성능이 된다. 하지만 중첩된 양자는 여러 가지의 정보를 한번에 담을 수 있기 때문에 큐비트(정보를 담은 양자 하나)가 10배로 늘어나면 2의 10제곱으로 성능이 획기적으로 높아진다. 신성철 한국물리학회장은 “이론적으로는 큐비트 300개만 있으면 전 우주에 있는 모든 원자의 정보를 한꺼번에 담을 수 있다.”면서 “아직은 10여개의 큐비트만 다룰 수 있지만, 활발한 연구가 진행되고 있는 만큼 무한한 가능성이 있다.”고 말했다. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr 윤샘이나기자 sam@seoul.co.kr

국내 과학자들이 ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터를 만드는 데 가장 큰 걸림돌을 해결했다. 현재의 슈퍼컴퓨터보다 수천~수만배 이상 빠른 컴퓨터를 만들고 통신 속도를 획기적으로 높일 수 있는 길이 열린 것이다. 김윤호 포스텍 물리학과 교수는 “양자역학의 핵심 원리인 양자 측정을 이용해 양자의 상태를 안정적으로 오랫동안 유지할 수 있는 방법을 개발했다.”고 26일 밝혔다. 연구 성과는 물리학 권위지인 ‘네이처 피직스’에 게재됐다. 　현재의 컴퓨터는 기본 단위인 비트를 0과 1을 표시해 정보를 순차적으로 전달하고 계산한다. 하지만 광자(光子)·원자·초전도체 등으로 만드는 양자컴퓨터는 큐비트라는 새로운 단위를 사용해 0과 1을 동시에 구현할 수 있어 수많은 계산을 한꺼번에 할 수 있다. 이론적으로는 현존하는 슈퍼컴퓨터 수백대가 수십년 이상 걸리는 계산을 양자컴퓨터 한 대가 몇 분 안에 처리할 수 있는 것으로 예측되고 있다. 양자컴퓨터의 개념은 이미 오래전부터 존재해 왔지만, 현실에서 양자는 안정적인 상태인 ‘결맞음’에서 계속 벗어나 ‘결어긋남’ 현상이 나타나는 탓에 이를 유지하는 기술 개발이 양자컴퓨터 구현의 관건으로 꼽혀 왔다. 결어긋남 현상이 생기면 정보가 손실되고 계산이 틀리는 것은 물론 양자컴퓨터의 특성 자체를 잃게 되기 때문이다. 　김 교수팀은 양자를 약하게 측정해 최대한 변화하지 않도록 하는 ‘약한 양자 측정’을 시도했다. 양자에서 정보를 읽어 내는 단계를 간결하게 만들어 결맞음 현상이 유지되도록 한 것이다. 또 정보를 읽어 내면서 흐트러진 양자의 정보도 되돌릴 수 있도록 했다. 김 교수는 “양자컴퓨터와 양자통신은 실험실 내 연구 단계지만 정보사회의 패러다임을 바꿀 가장 강력한 기술”이라고 말했다. 박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

간단한 소프트웨어 하나 돌릴 수 있는 수준의 AT컴퓨터(프로세서명 286)가 1980년대 말 200만원이란 ‘초저가’로 세상에 나왔을 때 사람들은 슈퍼컴퓨터가 가정으로 들어오게 됐다며 찬탄을 아끼지 않았다. 이후 386,486,586(펜티엄)으로 발전되면서 지금의 컴퓨터 능력은 과거의 몇백배 이상으로 향상됐다. 하지만 반도체 기술에 기초한 현재의 컴퓨터 기술은 멀지 않아 다른 기술에 추월당해 주인자리를 내주게 될 것 같다. 반도체 집적기술이 한계에 다다른 데다 양자,DNA, 빛 등 다양한 형태의 미래형 컴퓨터 기술이 속속 개발되고 있기 때문이다. 과학자들은 지금 우리가 쓰는 컴퓨터의 생명을 길어야 20년 정도로 잡는다. ●반도체 집적기술 한계점 보인다 현재 쓰고 있는 컴퓨터의 원형은 1950년 미국의 폰 노이만이 개발한 ‘에드박’(EDVAC)이다.46년 1만 8000개의 진공관을 이용한 최초의 컴퓨터 ‘에니악’(ENIAC)을 개량한 것으로 지금까지 컴퓨터 작동의 원리는 에드박에 기반을 두고 있다. 결국 컴퓨터 기술의 발전은 진공관-트랜지스터-반도체로 이어지는 부품소재의 성능향상이 이끌어온 것이다. 특히 컴퓨터의 보급확산을 가능케 했던 것은 ‘무어의 법칙’(반도체의 처리속도와 메모리 용량이 1년6개월마다 2배로 증가)으로 대표되는 대용량 집적기술의 발전이었다. 그러나 실리콘(규소)을 이용하는 반도체 기술의 발전은 종착역을 앞두고 있다. 기존 실리콘 소재를 갖고는 집적도를 한없이 높이는 게 불가능하기 때문이다. 과학자들은 하드웨어(컴퓨터)가 소프트웨어(인터넷, 프로그램)의 발전속도를 따라가지 못하는 상황이 오는 그 시점이 되면 지금과 같은 ‘폰 노이만’식 컴퓨터는 사양길로 접어들 것으로 전망한다. 특히 반도체 집적도가 높아지면서 실리콘 전자들이 정해진 대로 움직이지 않고 불규칙하게 이동하는 ‘양자효과’가 나타날 경우, 기술한계 도달시점은 더 빨라질 것으로 본다. ●단점을 장점으로 만든 양자컴퓨터 그 대안으로 양자컴퓨터,DNA컴퓨터, 분자컴퓨터, 광(光)컴퓨터 등의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이 가운데 어떤 컴퓨터가 최후의 승자가 될지는 아직 알 수 없다. 하지만 현재로서는 양자컴퓨터가 상용화에 가장 근접해 있는 것으로 평가받는다. 물리학의 양자역학과 나노기술을 활용한 양자컴퓨터는 정보처리의 최소단위를 기존 ‘비트’(bit)에서 ‘큐비트’(Qbit)로 확대한 것이다. 즉 2진법으로 연산하는 지금의 컴퓨터는 전류가 흐를 때 ‘0 또는(or) 1’로 판단해 정보를 해석하지만 양자컴퓨터는 ‘0 그리고(and) 1’로 파악하기 때문에 비트방식의 2배인 4가지 상태(00,01,10,11)로 표현이 가능하다. 또 비트는 정보를 축적할 수 없지만 큐비트는 처음 내보낸 정보를 계속 기억하기 때문에 연산속도를 더욱 높일 수 있다. 이에 따라 기존 컴퓨터로는 129자리의 암호를 푸는데 전 세계 1600여대의 슈퍼컴퓨터를 인터넷으로 연결해도 8개월이 걸리지만, 양자컴퓨터는 단 몇 분만에 해결할 수 있다. ●네 가지 신호로 구성된 DNA컴퓨터도 주목 DNA컴퓨터도 주목받고 있다. 현재 컴퓨터의 주기억장치(CPU)와 메모리에 해당하는 부분을 네가지 신호(A,T,C,G)를 갖는 DNA로 만들기 때문에 기존 컴퓨터에 비해 소형화에 유리하다. 실행속도 역시 훨씬 빠를 수 있다. 그러나 DNA컴퓨터는 의료용에 초점이 더 맞춰져 있어서 일반 가정용 컴퓨터로 만들어지기는 어려울 것으로 보인다. 액체 안에서만 작동되는 데다 입력장치(키보드 등)나 출력장치(모니터, 프린터 등) 등을 만들기가 매우 어렵기 때문이다. 광컴퓨터는 데이터를 주고받는 데 전류 대신 빛을 사용한다. 빛은 전기보다 전달속도가 10배 이상 빠르고 전할 수 있는 정보의 양도 많으며 전달 효율도 훨씬 뛰어나다. 그러나 광연산소자는 나노 기술을 이용한 첨단 광결정소재를 이용하기 때문에 가격이 비싸 실용화를 앞당기는 데 제약요인이 되고 있다. 차세대 컴퓨터들은 지식축적이 가능해 개발이 현실화될 경우 학습도 가능해진다. 사람처럼 말하고 생각하고 행동하는 ‘인공지능’ 컴퓨터의 개발기반이 놓이는 셈이다. 이럴 경우, 기계들이 인류를 지배하는 내용의 영화 ‘터미네이터’와 같은 상황이 전혀 상상 속에만 머물지 않게 될 수도 있다. 장세훈기자 shjang@seoul.co.kr

“양자컴퓨터는 청소년들이 관심을 갖기에 충분히 매력적인 분야입니다.” 반도체 방식의 양자컴퓨터 분야 연구에서 단연 두각을 나타내고 있는 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 안도열(44) 교수의 말이다. 그는 “양자컴퓨터는 인류가 사용하는 에너지와 도구에 대한 패러다임을 전환시키는 계기가 될 것”이라면서 “양자컴퓨터 개발을 위해서는 전자공학과 물리학·재료공학 등 다양한 분야의 협력이 이뤄져야 하지만 이공계 기피현상이 심화되면서 우수 인력을 찾기가 쉽지 않다.”고 아쉬워했다. 안 교수는 반도체 1개로 큐비트를 만들어 이를 제어하는 데 성공했으며, 지금은 반도체 2개로 큐비트를 제작해 이를 제어하는 작업에 몰두하고 있다. 그는 최근 이같은 성과를 인정받아 미국 전기전자공학회(IEEE)의 2005년도 특별회원으로 선정되기도 했다. 안 교수는 “반도체 2개의 큐비트를 제어하게 되면 일정한 수학적 법칙에 따라 큐비트 수만 늘려나가면 된다.”면서 “이렇듯 반도체 방식은 큐비트 수의 제한이 없어 상용화에 가장 유리하다.”고 설명했다. 안 교수는 우선 오는 2007년까지 2큐비트,10년 안에 16큐비트 수준의 양자컴퓨터를 제작한다는 계획이다. 그는 “한국은 미국과 일본 등 선진국보다 5년가량 늦게 뛰어들었지만, 현재 이 분야에서 기술격차는 1∼2년 정도로 줄어든 상황”이라고 덧붙였다. 장세훈기자 shjang@seoul.co.kr

양자컴퓨터는 1982년 물리학자 리처드 파인만이 최초로 아이디어를 낸 이후 꾸준히 개발이 이뤄져 왔다. 때문에 현재로서는 미래형 컴퓨터 중 실용화 가능성이 가장 높다. 양자컴퓨터를 구현하는 방법에는 여러가지가 있지만 지금까지 가장 많은 연구가 이뤄진 기술은 ‘핵자기공명(NMR)’방식이다. 분자의 핵을 정보처리 단위인 큐비트로 사용하고, 핵자기공명 기법을 적용해 양자의 상태를 제어하는 기술이다. 미국 IBM은 이런 방식으로 7큐비트 양자컴퓨터를 개발,2의 7제곱(128)개의 연산을 동시에 수행하는 수준까지 이르렀다. 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이순칠 교수도 2001년 3큐비트 양자컴퓨터 제작에 성공했다. 그러나 큐비트간 상호작용 등에서 아직은 한계가 많은 상황이다. 복잡한 신기술을 쓰지 않고 지금의 반도체 기술을 그대로 적용하는 방법도 연구되고 있다. 기존 반도체를 이용할 경우 큐비트 수에 제한을 받지 않기 때문이다. 다만 반도체 소자의 크기를 나노미터(1㎚=10억분의 1m) 수준으로 줄여야 하고, 절대온도 1도(영하 272.15도) 이하의 환경이 요구되는 등 걸림돌이 있다. 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 안도열 교수는 최근 기존 반도체 집적기술을 이용한 1큐비트 양자컴퓨터를 내놓았다. 양자컴퓨터는 물리학, 화학, 생물학 등 기초학문뿐만 아니라 엄청난 양의 정보를 검색·분석해야 하는 기상예측과 신약개발 등의 분야에서도 응용될 것으로 보인다. 양자컴퓨터의 상용화에 대해 우려하는 목소리도 나오고 있다. 인터넷을 통해 전세계가 하나로 묶이면서 암호 등 보안의 중요성이 커지고 있지만 초고속 연산능력을 지난 양자컴퓨터가 개발되면서 기존 보안장치들이 쓸모없게 될 수 있는 탓이다. 특히 현재까지 개발된 가장 강력한 보안시스템인 ‘공개키 암호’(RSA) 체계조차 무용지물이 될 수 있을 것으로 보인다. 복잡한 소인수분해 관련기술을 적용한 RSA는 현재 인터넷과 신용카드, 온라인뱅킹은 물론 기업이나 국방·외교의 기밀을 보장하는 데 두루 활용되고 있지만 양자컴퓨터는 소인수분해를 쉽게 풀 수 있다. 이 경우 전세계 인터넷, 금융기관 등의 암호체계에 대한 전면 개편이 불가피하다. 장세훈기자 shjang@seoul.co.kr