[양자역학 100년··· 쉽게 풀어 쓴 양자컴 20 문 20 답]
[양자역학 100년··· 쉽게 풀어 쓴 양자컴 20 문 20 답]
구글이 2019년 개발한 양자 컴퓨터 '시커모어'. 시커모어는 53 큐비트 규모의 양자 컴퓨터로 수퍼컴퓨터가 1만년 걸려 해결하는 문제를 3 분 20 초 만에 계산한 것으로 유명하다. 구글이 개발 중인 양자 컴퓨터는 초전도체를 활용한 방식으로 극저온 (영하 273도)에서만 구동 가능하다. 이 때문에 양자 컴퓨터 외관의 대부분은 냉동고 역할을 하는 장치가 차지한다.
수퍼컴보다 30 조배 빠르다 세상 뒤흔들 양자컴이 온다
초스피드 계산
우주 역사 시간 걸릴
무한대 계산을
단 5 분 만에 풀어
암호 체계 무력화
군사 · 안보 · 금융망에
새 암호 체계 구축 등
발등에 불 떨어진 셈
2025년은 양자과학에 특별한 해다. 독일 물리학자 베르너 하이젠베르크가 1925년 양자역학의 기초를 정립한 지 딱 100년 되는 해이기 때문이다. 이런 역사적 배경 덕분에 유엔 역시 올해를 ‘세계 양자과학 및 기술의 해’ 로 지정했고, 세계 최대 가전 · IT (정보 기술) 박람회인 ‘CES 2025′ 에는 양자 컴퓨팅 분야가 신설됐다.
최근 양자 컴퓨터는 각국 안보에 핵심적 역할을 하는 암호 체계를 단번에 무력화할 수 있다는 주장이 나와 세간의 주목을 끌었다. 기존 (고전) 컴퓨터가 10 셉틸리언 (1 셉틸리언 = 10의 24제곱)년 걸려 풀어낼 계산을 구글의 양자 컴퓨터인 ‘윌로’ 가 단 5분 만에 풀어냈다는 소식에 복잡한 암호 체계마저 술술 풀릴 것이란 걱정이 커졌다. 인간의 두뇌로는 상상조차 힘든 10 셉틸리언년은 우주 역사보다도 긴 시간이다. 전문가들은 양자 컴퓨터가 기존 수퍼컴퓨터보다 30 조배 이상 빠른 연산이 가능하다고 본다. 이미 상용화 문턱에 있는 양자 컴퓨터 관련 시장 규모는 지난해 기준 8조9155억 원에 이르며, 2031년엔 32조1202억 원에 달할 전망 (한국지능정보사회진흥원)이다.
일러스트 = 김하경
그렇다면 차세대 ‘게임 체인저’ 라는 양자 컴퓨터는 어떻게 그렇게 빨리 계산할 수 있고, 어떤 분야에 쓰일 수 있을까. WEEKLY BIZ가 초보자를 위한 양자 컴퓨터 가이드를 준비했다. 양자 컴퓨터 ‘기초 다지기’ 특강을 위해 방정호 연세대 융합과학기술원 양자사업단 양자컴퓨팅센터장 (교수), 홍석륜 전 한국물리학회장 (세종대 물리천문학과 교수) 등에게 조언을 구했다. 다만 일부 비유는 비 (非)전공자의 이해를 돕기 위한 것으로 실제 양자역학과는 정확히 맞아떨어지지 않을 수 있다.
1. 일단 양자 (量子 · quantum)란 뭔가
더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위를 양자라 한다. 일상적 물질을 이루는 가장 작은 단위를 원자 (原子 · atom)라 하는데, 원자는 다시 그 중심의 원자핵, 핵 주변을 돌고 있는 전자, 핵을 쪼개 나오는 양성자 · 중성자로 구분된다. 이들을 모두 아울러 양자라고 한다. 이 ㅇ야자의 움직임을 다루는 학문이 양자역학 (力學 · 움직임에 관한 학문)이다.
그래픽 = 김의균
2. 양자의 성질은 누가 발견했나
물질을 잘게 쪼개 나온 원자난 전자가 '알갱이 (입자)' 라는 건 자명하다. 1900년 독일의 천재 과학자 막스 플랑크는 이런 원자나 전자뿐 아니라 이들이 갖는 '에너지' 또한 알갱이라는 놀라운 성질을 발견했다. 파동 (波動 · 진동이 주위에 전달되는 현상)의 성격을 갖는 빛이나 소리의 에너지가 알갱이의 성질을 띤다는 얘기다. 초미시 세계의 양자는 입자이면서 곧 파동이기도 한 이중성을 보인다는 뜻이다. 이는 고전 물리학의 연속적인 에너지 모델을 뒤엎는 혁명적인 발견이었다. 양자 개념은 고전 물리학으로는 설명할 수 없었던 초미시 세계의 복잡한 현상을 이해하는 열쇠가 됐고, 현대 양자역학의 기초가 됐다. 양자는 다만 우리가 흔히 보는 물질들의 움직임과는 전혀 다른 형태를 보일 경우가 많아 이해하기 여전히 어려운 분야다.
3. 그럼 양자 컴퓨터란 뭔가
양자 컴퓨터는 양자역학에서 양자의 일부 성질을 활용해 만든 컴퓨터를 말한다. 기존 컴퓨터의 '뇌' 역할에 해당하는 부품은 중앙처리장치 (CPU) 또는 그래픽처리장치 (GPU)였다. 양자 컴퓨터에선 그 역할을 양자 프로세서 (QPU · Quantum Processor Unit)가 맡는다.
그래픽 = 김하경
4. 기존 컴퓨터를 놔두고 왜 굳이 양자 컴퓨터를 만들었나
수퍼컴퓨터조차 성능에 한계를 보이기 때문이다. 인간은 1943년 최초의 컴퓨터인 '에니악' 을 만든 이래 컴퓨터 성능을 비약적으로 발전시켰다. 트랜지스터 (반도체 소자)를 끊임없이 소형화해 하나의 반도체 칩에 더욱 많은 트랜지스터를 담아내는 식이었다. 그런데 지금 쓰이는 반도체 원료인 실리콘은 0.2 나노미터 (㎚ · 10 억분의 1 m)에 근접할 정도로 작아져 원자 크기 수준에 이르렀다. 이런 반도체를 이어 붙여 수퍼컴퓨터까지 만들었지만 인공지능 (AI) 시대의 어마어마한 계산량을 따라가려면 한계가 있었다.
그래픽 = 김하경
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5. 양자 컴퓨터를 이해하려면 양자역학을 꼭 알아야 하나
양자역학의 '중첩' 과 '얽힘' 이란 개념을 이해할 필요가 있다. 양자 컴퓨터의 계산 능력은 이 두 가지 성질을 활용해 천문학적으로 빨라질 수 있기 때문이다.
그래픽 = 김하경
6. 중첩이란 뭔가
양자역학에서 '중첩' 이란 입자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있다는 논리다. 빙글빙글 돌아가고 있는 동전에 많이 비유한다. 동전이 돌아가고 있을 동안 우리는 동전의 앞면이 위로 향할지 아래로 향할지 알 수 없다. 바닥에 떨어지거나 손 위에 탁 잡히는 순간 동전의 앞면이나 뒷면이 드러난다. 즉, 동전이 돌아가고 있을 땐 앞면인지 뒷면인지를 확률 정도로만 알 수 있을 뿐 실제로는 어느 면인지도 알 수 없고 그야말로 앞면이기도 뒷면이기도 한 이중적 상태다. 양자는 이렇게 여러 상태가 '중첩' 된 성향을 지닌다.
양자컴 상용화 문턱··· AI와 신약 · 신소재 개발 게임 체인저 될 것
양자컴 왜 나왔나?
기존 컴퓨터 발전 한계
인공지능 등장으로
빠른 계산 절실해져
특별히 잘하는 계산은?
소인수분해에 강점
택배 순서 배정 등
최적 경로 산출도 탁월
누가 잘하나?
기술 정립 안 돼
특정 기업 · 기관
아직 명확하지 않아
7. 중첩의 또 다른 예는
양자역학에서 중첩을 설명할 때 흔히 '슈뢰딩거의 고양이' 라 불리는 사고 실험을 예로 든다. 이 실험을 간단히 요약하자면 50% 확률로 독가스가 나오는 상자 안에 고양이를 둔 상태에서 일정 시간이 지난 후에 고양이가 살았을지 죽었을지를 알아보는 실험이다. 상식적으론 고양이가 살아있을 확률은 50%다. 양자역학적 관점에서는 상자 뚜껑을 열어보기 전에 고양이는 '살아 있기도 죽어 있기도 하다' 고 본다. 결과를 확인하기 전엔 고양이가 삶과 죽음의 중첩 상태로 존재하기 때문이다.
8. 도대체 이 중첩 개념이 양자 컴퓨터에서 어떻게 쓰인다는 건가
양자역학의 중첩 개념은 양자 컴퓨터가 높은 속도를 내는 데 가장 필수적인 개념이다. 기존 컴퓨터에선 트랜지스터 한 개에 전기를 흘려보낼 때 1, 끊기면 0 과 같은 2 진수로 정보를 표현한다. 이 최소한의 정보 단위를 '비트' 라 한다. 만약 트랜지스터가 두 개 있다면 '00' '01' '10' '11' 과 같은 네 가지 표시 중에 하나만 선택해 보여줄 수 있다.
양자 컴퓨터에선 정보의 최소 단위를 '큐 (Q) 비트' 라 한다. 여기에 중첩의 개념이 쓰인다. 양자적 성질을 띠는 물질 하나로 이뤄지는 큐비트는 계속 돌아가는 동전처럼 앞면 (0)과 뒷면 (1) 사이 모든 가능성을 동시에 표현할 수 있다.
9. 그래서 어떻게 양자 컴퓨터 속도를 빠르게 하나
연산 성능이 2 비트인 고전 컴퓨터와 2 큐비트인 양자 컴퓨터가 있다고 가정해 보자. 만약 '결과가 3 이 되는 2 진수 조합이 무엇인지 찾으라' 는 명령을 둘 모두에게 내린다면 어떻게 될까. 고전 컴퓨터는 '00' '01' '10' '11' 이 10 진수로 표현하면 무슨 숫자로 표현될지 각각 계산해 보고 맞는 답을 찾는다. 반면 양자 컴퓨터는 네 경우를 동시에 계산해 단번에 '11' 이란 답을 내놓을 수 있다. 마치 손오공이 머리털을 뽑아 분신술로 동시에 적을 무찌르는 것처럼 양자 컴퓨터는 동시에 여러 가능성을 계산하기 때문에 연산 속도가 빠르다.
10. 계산이 얼마나 빨라지나
만약 양자 컴퓨터가 2 큐비트로 이뤄졌다면 '00' '01' '10' '11' 의 확률을 동시에 계산한다. 만약 3 큐비트라면 '000' '001' '011' '010' '100' '101' '110' '111' 등 8 가지 상태로 연산하고, 20 큐비트라면 2 의 20 승인 104만8576 가지 상태를 다뤄 연산 속도를 끌어올린다.
지난해 6월 경기 고양시 킨텍스에서 열린 양자과학기술 행사인 ‘퀀텀코리아 2024′ 에서 IBM 관계자가 자사의 양자 컴퓨터 (퀀텀 시스템 원) 모형 앞에서 관련 기술에 대해 설명하고 있다. / 뉴시스
11. 그렇다면 얽힘은 무엇인가
양자역학에서는 두 개 이상의 입자가 서로 강하게 연결돼 있는 현상을 '얽힘' 이라고 한다. 이렇게 얽혀 있는 입자들은 한 입자의 상태가 결정되면 다른 입자의 상태도 즉시 결정된다. 다시 동전으로 비유를 하자면 '얽혀 있는' 두 동전이 모두 돌고 있는 상황에서 한 동전만 멈춰 세웠는데 다른 동전의 상태도 반드시 앞면 (또는 뒷면)으로 멈춰버리는 현상이 벌어진다. 양자역학에서는 중첩 상태의 여러 입자가 얽혀 있을 수 있다. 각각의 입자는 0 일 수도 있고 1 일 수도 있지만, 한 입자가 측정되면, 다른 입자의 상태가 정해져 버린다.
12. 양자 컴퓨터에서 얽힘은 어떻게 쓰이나
양자 컴퓨터에서 얽힘 현상이 중요한 것은 양자 사이 얽힘을 '인위적으로' 만들어 이를 양자 컴퓨팅에 활용할 수 있기 때문이다. n번째 큐비트의 측정 결과에 따라 n + 1 번째 큐비트의 상태가 상관 (얽힘) 관계를 가지게 되며, 이를 활용해 양자 알고리즘에서 복잡한 계산 과정을 설계할 수 있다. 중첩 현상이 계산 능력을 끌어올린다면, 얽힘 현상은 양자 상태 사이의 상관관계를 활용해 원하는 결과값을 내도록 계산 효율성을 높이는 데 도움을 주는 셈이다.
13. 양자 컴퓨터가 특별히 잘하는 계산이 있나
양자 컴퓨터는 특히 잘하는 계산이 있다. 소인수분해가 대표적이다. 고전 컴퓨터는 특정한 숫자를 소인수분해하기 위해 일일이 어떤 소수 (素數 · 1 과 그 수 자신 이외의 자연수로는 나눌 수 없는 자연수)로 나눠질지를 다 넣어 따지는 방식을 쓴다. 그러나 분신술처럼 동시에 여러 연산을 해내는 양자 컴퓨터는 중첩적 특성으로 이런 계산 횟수를 획기적으로 줄인다.
14. 양자 컴퓨터의 또 다른 전문 분야는
가장 빠른 길을 찾는 최적화 경로 산출에서도 위력을 발휘한다. 예컨대, 택배 기사가 5 곳에 배송을 가야 한다고 치자. 이 경우 5 군데를 어떤 순서로 가는지에 대한 경우의 수는 120 가지 (5 × 4 × 3 × 2 × 1)가 나온다. 배송지가 10 곳으로 늘어나면 360만가지, 15 곳으로 늘면 1조3000억가지로 늘어난다. 이때 고전 컴퓨터는 각 경우의 수를 갈 경우 시간이 얼마나 걸리는지를 일일이 계산해 결론을 내린다. 늘어난 경우의 수만큼 계산 횟수도 증가한다. 15 곳 (1조3000억가지)에 대한 계산을 현재 가장 발달한 수퍼컴퓨터 '프런티어' 로 하면 0.0000013초 만에 해결하지만, 방문지가 30 곳으로 늘어나 버리면 계산에 필요한 시간이 841만년으로 급증한다.
15. 양자 컴퓨터로 암호를 무력화하는 것도 가능한가
이론적으로 가능하다. 그 이유는 현재 암호를 만들 때 소수들의 곱셈을 활용하는 방식이 흔히 쓰이고 있기 때문이다. 기존의 보안 암호는 고전 컴퓨터로는 큰 소수들의 곱을 다시 풀어 헤치는 소인수분해가 어렵다는 특성을 이용해 만든다. 그런데 양자 컴퓨터의 특기는 소인수분해라 문제가 생겼다. 기존 일반 컴퓨터가 1만년 정도는 걸려야 풀어낼 난도의 소인수분해 문제로 암호를 걸어뒀는데, 양자 컴퓨터 시대가 열리면 수 초 만에 암호가 플려버릴 위험에 봉착했다. 군사, 안보, 금융 등 보안이 특별히 중요한 분야에서 발등에 불이 떨어진 이유다.
16. 암호가 다 무력화되는 걸 막는 방법은 없나
창의 발달과 함께 방패에 대한 연구도 함께 진척되고 있다. 양자 컴퓨터로 도 뚫어낼 수 없는 암호 중에는 '양자 암호' 가 있다. 측정해 보기 전에는 안에 든 내용물이 무엇인지 알 수 없는 양자의 특성을 활용해 암호 사용자들끼리만 암호의 열쇠를 안전하게 공유할 수 있다는 게 양자 암호의 원리 중 하나다.
17. 양자 컴퓨터의 또 다른 쓸모는
'어마어마한 계산 막노동' 이 필요한 분야엔 양자 컴퓨터가 그 위력을 발휘할 수 있다. 이미 CPU가 한계에 부딪혀 GPU까지 동원해야 하는 AI 분야가 대표적이다. 고전 컴퓨터가 끊임없이 학습하고 시행착오를 겪어야 성능 향상이 이뤄지는 AI에 양자 컴퓨터가 제격일 수 있다. 신약이나 신소재 개발에도 양자 컴퓨터는 탁월한 능력을 발휘할 수 있다. 이 두 분야 모두 어떤 분자를 어떻게 배열하면 새로운 물질이 나올지 끊임없이 시뮬레이션 해봐야 하는 분야다.
18. 양자 컴퓨터, 누가 잘하나
양자 컴퓨터는 아직 기술이 완전히 정립되지 않은 상태다. 이에 누가 기술적으로 가장 앞섰는지 말하기 쉽지 않다. 에니악이 처음 만들어진 이후 현재의 실리콘 기반 반도체 컴퓨터로 자리잡기까지 수십 년이 걸렸듯이 양자 컴퓨터 역시 어떤 소재를 활용해 연산용 하드웨어로 쓸지 각 기업과 학계에서 실험 중인 상태다.
19. 양자 컴퓨터 개발 방식엔 어떤 게 있나
초전도체 방식이나 이온 트랩 방식이 가장 많이 알려져 있다. IBM, 구글 등은 양자가 안정적으로 유지되도록 극저온 (영하 273도)에 작동하는 초전도체 방식을 쓰고, 듀크대 김정상 교수가 공동 창업한 아이온큐 (IonQ)는 이온 트랩 방식을 쓴다. 이온 트랩은 전기장을 이용해 이온을 가둬 큐비트로 사용하는 기술이다.
20. 양자 컴퓨터 분야는 투자할 만한가
양자 컴퓨터의 전유망한 미래 덕분에 투자금이 몰리는 상황이다. 다만 본격 상용화를 위해선 시간이 더 필요하다는 의견이 많다. 7일 CES 2025' 에 참석한 젠슨 황 엔비디아 최고경영자 (CEO)는 유용한 양자 컴퓨터가 나올 시기를 두고 "20년을 선택한다면 많은 사람이 믿을 것이라고 생각한다" 고 했다.
조성호 기자
[출처 : 조선일보 2025년 1월 10일 자]
