"새로운혁명의시대가다가오고있다"
미래를약속하는양자컴퓨터의힘과가능성
《평행우주》《마음의미래》미치오카쿠가그려낸양자시대의전망
양자컴퓨터관련뉴스가하루가멀다하고들려온다.그만큼투자와개발경쟁이치열하다는소리다.우리나라도2035년까지민관합동으로양자과학기술육성에3조원을투자하겠다고밝혔다.양자컴퓨터가무엇이고현재의디지털컴퓨터보다얼마나더좋길래구글,마이크로소프트,IBM,인텔등전세계주요테크기업과국가연구소들이양자컴퓨터개발에전력하는것일까?양자컴퓨터가그토록강력한까닭은무엇일까?‘양자컴퓨터’를이해하기가어려운이유는그단어를이루고있는‘양자(역학)’와‘컴퓨터’또한만만한개념이아니기때문이다.물리학자들이‘모든것은양자’라고하고,현대문명에서이루어지고있는우리의일상이컴퓨터없이는돌아가지않는다고해도,‘양자’와‘컴퓨터’각각의개념과원리,역사를쉽게설명하는것은보통일이아니다.그런데둘을합친‘양자컴퓨터’의개념과그잠재력을쉬운언어로설명하는일이가능할까?
“복잡한과학개념을일반독자가이해할수있는언어로번역하는것은예술이라고할수있다.뉴욕시립대물리학교수인카쿠는그최고의전문가중한명이다”라는〈커커스리뷰〉의말처럼,미치오카쿠는세계적인이론물리학자이면서어려운과학지식을여러방송프로그램에서쉽고흥미진진하게풀어내는과학엔터테이너이다.또한그는어려운이론물리학의세계를롤러코스터를타듯재미있게풀어낸《초공간》,《평행우주》,《단하나의방정식》,과학적사실에기반하여미래의모습을예견한《불가능은없다》,《미래의물리학》,《마음의미래》,《인류의미래》같은베스트셀러를출간한저자이기도하다.그런카쿠박사가새로쓴책의주제가바로‘양자컴퓨터’이다.《양자컴퓨터의미래》는양자컴퓨터의기본개념,역사와종류,개발을둘러싼치열한경쟁,양자시대로의전환을위해필요한돌파구,마침내펼쳐질환상적인미래까지,인류의문명을도약시킬양자컴퓨터의힘과가능성을경쾌하고깔끔한문체로눈앞에실감나게그려낸책이다.독자들은저자특유의단순하면서도정확한설명과비유를통해‘양자역학’과‘컴퓨팅’의기본지식은물론현재물리학,생물학,의학등인류의삶과밀접한관련이있는각과학분야에서어떤연구들이이루어지고있으며,양자컴퓨터가어떻게기여할수있는지를두루알게될것이다.
궁극의컴퓨터가온다!
양자컴퓨터를이해하기위한단한권의책
미치오카쿠는이책에서양자컴퓨터가기존의디지털컴퓨터를능가할수있는영역으로다음네가지를든다.1)검색능력.저자가말하는양자컴퓨터의주특기는‘건초더미에서바늘찾기’이다.양자컴퓨터는방대하고혼란스러운데이터에서핵심만추출하여중요한결론을도출할수있다.2)최적화.양자컴퓨터는수많은변수를계산하여폐기물,업무효율,수익및비용,제조공정등산업계의특정요소를최대화,또는최소화하는데탁월하다.3)시뮬레이션.날씨예측이나신약개발처럼복잡하거나시간이너무오래걸리는실험은양자컴퓨터를이용한가상실험으로대체할수있다.기존의디지털컴퓨터로카페인같은단순한분자가형성되는과정을시뮬레이션하려면10^48비트의정보가필요한데,이수는지구를구성하는총원자개수의10퍼센트에해당한다.아무리좋은디지털컴퓨터라해도불가능한수치이지만양자컴퓨터에게는식은죽먹기이다.4)인공지능과의결합.미래기술을이야기할때빼놓지않고등장하는것이인공지능인데,이분야는이론적기초가세워졌음에도불구하고디지털컴퓨터의한계에부딪혀발전이지지부진한상태이다.특히인공지능은실수를통해발전하는기능이있지만계산능력은좀떨어지고,양자컴퓨터는막강한계산능력이있지만실수를통해배우는기능은없어서서로의단점을보완해줄수있다.
양자컴퓨터가디지털컴퓨터와가장크게다른점은연산의기본단위이다.디지털컴퓨터의기본단위가0아니면1의이진법‘비트’인반면,양자컴퓨터는양자역학의‘중첩(superposition)’개념을이용하여0과1을‘동시에’다룰수있는‘큐비트’를기본단위로사용한다.양자컴퓨터가그토록강력한연산능력을발휘하는까닭이바로여기에있다.중첩외에도얽힘(entanglement),경로합(sumoverpaths),터널효과(tunneling)등양자컴퓨터를가능하게만드는양자이론의기이한특성들에관해저자는아인슈타인을비롯하여앨런튜링,리처드파인먼,막스플랑크,에르빈슈뢰딩거등유명과학자들의일화와나침반이달린장난감기차,미로속의쥐,커플을맺어주는중매인등이해하기쉬운비유를곁들여막힘없이설명한다.카쿠박사의이야기를정신없이따라가다보면어느새‘양자역학’과‘컴퓨팅’은물론‘양자컴퓨터’가무엇이며양자컴퓨터개발의발목을붙잡는가장큰장애물이무엇인지(큐비트를구성하는원자들이일제히같은모드로진동하도록배열되어야하는데,외부의불순물이나교란이조금이라도개입되면결맞음상태가깨져버린다)까지,양자컴퓨터에관한이해의폭을넓힐수있을것이다.
빅테크기업에서스타트업까지
불붙은경쟁,양자컴퓨터의종류
그렇다면양자컴퓨터의종류에는어떤것들이있으며각각의디자인은어떤장단점이있을까?저자는“0과1이라는상태가중첩되고얽혀서정보를처리하는시스템은모두양자컴퓨터가될수있다”고단언한다.따라서양자컴퓨터의기본설계도여러가지로나오는데,우리나라도공동연구를통해2023년10월세계최초로‘전자스핀’을이용한큐비트를개발하여세계의주목을받았다.이책에제시된양자컴퓨터의종류를간단히살펴보면다음과같다.
1)초전도양자컴퓨터:현재양자컴퓨터의기준이라고할수있다.구글의시카모어와IBM의이글,오스프리가이에해당한다.IBM은2023년12월초1121큐비트짜리양자컴퓨터콘도르도공개했다.디지털컴퓨터산업계에서이미개발해놓은기술(집적회로)을사용할수있다는점이장점이지만,양자적계산을수행하기위해초전도상태를유지하도록만들기가무척어렵다는문제가있다.
2)이온트랩양자컴퓨터:아이온큐,허니웰을비롯한몇몇기업들이선도하는양자컴퓨터이다.전기적으로중성인원자에서전자몇개를떼어내면양전하를띤이온(양이온)이되는데,이온은전기장과자기장으로만든덫(트랩)에가둬놓을수있다.이렇게가둔이온들은결맞음상태의큐비트처럼동일한모드로진동하게되고,이들에게마이크로파나레이저를쏘면스핀이뒤집히면서원자의상태를바꿀수있다.초전도양자컴퓨터와는다르게결맞음시간도길고,극저온이아니어도정상적으로작동하나큐비트를추가할경우전기장과자기장을미세하게조정해야한다는어려움이있다.
3)광양자컴퓨터:전자대신레이저빔을이용하는양자컴퓨터로,중국과학기술대학교의양자컴퓨터‘지우장’과캐나다의양자컴퓨팅기업‘자나두’가유명하다.광기반양자컴퓨터는빛이두가지이상의방향으로진동하는특성(편광)을이용한다.광자에는전하가없기때문에전자와는다르게주변환경을영향을거의받지않고,상온에서도작동한다는장점이있으나시스템이복잡해질수록큐비트를생성하기가어렵고,부품을재배열하는데시간이꽤걸린다는단점이있다.
4)실리콘광양자컴퓨터:미국의스타트업프사이퀀텀(PsiQuantum)이개발중인양자컴퓨터로,반도체인실리콘의이중적성질을활용한다.실리콘은트랜지스터로가공되어전자의흐름을제어할수있을뿐만아니라,특정적외선과상호작용을하지않기때문에빛을전달하는매개체로사용할수있다.이런이중적특성을이용해여러개의광자를얽힌상태로만들수있는것이다.단기간에기업가치가31억달러로급등한프사이퀀텀은금세기중반까지실용적으로쓸수있는100만큐비트짜리양자컴퓨터를만들겠다고선언했다.
5)위상양자컴퓨터:인위적으로끊지않는이상도넛모양이유지되는것처럼,어떤특별한위상수학적조건이유지되면양자컴퓨터는상온에서안정적으로작동할수있다.물리학자들은오랫동안온도와관계없이위상이보존되는물리계를찾으려고애를써왔다.2018년네덜란드의델프트공과대학에서이런특성이있는물질을발견했다고발표하였으나이후면밀한검토를거쳐논문을철회하였다.하지만다른물질들도활발히연구되고있으므로가능성은열려있다고해야할것이다.
6)D-웨이브양자컴퓨터:캐나다에본사를둔기업디웨이브시스템의양자컴퓨터이다.초전도체에흐르는전류가최저에너지상태에도달할때까지전기장과자기장을조절함으로써데이터를최적화시킨다.‘최적화’문제에있어서가장뛰어난성능을보여주기때문에록히드마틴,폭스바겐,로스앨러모스국립연구소,NASA등이주요구매자다.
기후변화,식량과에너지문제,난치병과노화등
인류의중요한문제해결에기여할양자컴퓨터
지난수십년동안18개월마다컴퓨터의성능은두배씩향상된다는‘무어의법칙’에따라전성기를구가했던마이크로프로세서의위세는점차약화되는추세이다.컴퓨터의성능은마이크로칩에들어가는트랜지스터의수에거의비례하는데,동일한면적에더많은트랜지스터를넣기위해트랜지스터사이의간격을지금보다더작게하면하이젠베르크의‘불확정성원리’에의해위치가불확실해진전자들이회로를단락시키거나과도한열을발생시킬수도있다.다시말해디지털컴퓨터에‘무어의법칙’이더이상적용되지않는날이오는것은필연이라는뜻이다.저자는우리가“실리콘시대의종말을목격하는산증인이될것”이라고말한다.이렇게저물어가는디지털컴퓨터를대체할강력한도구가바로원자의양자적특성을십분활용하여지구온난화를막고,식량과에너지문제를해결하고,난치병의치료법을찾는등인류가직면한중요한문제들을해결하는데결정적인기여를할양자컴퓨터이다.저자는우주를통째로시뮬레이션할정도로막강한연산능력을갖춘양자컴퓨터가우리의삶에일대혁명을불러올차세대컴퓨터로부족함이없으며,나아가생명과우주의비밀을푸는데에도큰역할을할것으로기대하고있다.
세계적인빅테크기업들은물론이고신생스타트업,각국의정부까지발벗고나서서양자컴퓨터에엄청난금액을투자하고있는것은양자컴퓨터의힘과가능성이그만큼어마어마하기때문이다.이책에따르면양자컴퓨터는지구온난화의주범인이산화탄소를고부가가치물질로만드는탄소재활용기술이나인공광합성을구현하는데에도돌파구를마련할수있고(7장),비료생산의생물학적과정을낱낱이풀어서제2의녹색혁명으로식량문제를해결해줄수도있다(8장).또수백만건에달하는실험을효율적으로빠르게수행하여슈퍼배터리혁명을앞당기는데결정적인기여를할것이다(9장).나아가어렵기로소문난'단백질접힘'의비밀을풀어서알츠하이머와운동신경질환,파킨슨병등난·불치병의치료법을개발하는데에도핵심적역할을할것으로기대된다(10~13장).날씨를예측하고대체에너지를개발해화석연료의존도를낮춰지구온난화를막는일에도커다란도움을줄수있으며(14장),방사성폐기물없이청정에너지를무한정생산할수있는핵융합발전을실현해줄강력한후보이기도하다(15장).저자는표준모형을넘어서는‘만물의이론’을구축하는데양자컴퓨터가어떻게쓰일수있는지알아본(16장)후지금까지살펴본내용을모두엮어양자과학기술이펼칠미래의모습,2050년의일상을소설형식으로생생하고재미있게그려낸다(17장).
현재의암호체계를무력화시키는등양자컴퓨터와관련한문제들에대하여카쿠는그위험성을경고하면서도‘모든과학기술에나타나는부작용중하나일뿐’이라며시종일관낙관적이고긍정적인미래관을보여준다.책을읽다보면기술이인간에게이롭게쓰이길진심으로바라는노과학자의바람에동화될수밖에없다.출간후〈가디언〉과의인터뷰에서그는이렇게말했다.“대중을위한책을쓰는목적은,사람들이기술의미래에대해제대로알고,합리적이며현명한결정을내릴수있도록하기위해서이다.기술이일반인이이해할수없을정도로복잡해지면도덕적나침반이없는사람들이그기술의방향을결정하게되므로큰문제가발생한다."여든을바라보는나이에도여전히열정과호기심,긍정적인태도가넘치는미치오카쿠의《양자컴퓨터의미래》는양자과학기술로구현될양자시대로독자들을안내할것이다.
추천사
명쾌한문체와명료한사고로중요한기술적전환점에대한독자들의감각을일깨운다._뉴욕타임스
잘쓰여지고접근성이뛰어나독자들에게양자컴퓨팅과그기본원리,잠재력에대한포괄적인개요를제공하는책._사이언스
양자컴퓨팅의놀라운잠재력에대해유익하고재미있게설명하는책.언제나그렇듯이카쿠의열정은전염성이있다._커커스리뷰
양자컴퓨팅의약속,힘,가능성에대한놀랍고광활한시각.컴퓨터와양자역학의결합에관심이있는독자들의상상력을자극할것이다._북리스트
