미래를이끌양자컴퓨터그리고광양자컴퓨터
지금전세계가주목하는이유는무엇일까
2021년7월,일본에서IBM이제작한상용양자컴퓨터(quantumcomputer)가가동에들어갔다는소식이전해졌다.도쿄대학교와도요타자동차등12개업체는이양자컴퓨터를활용해소재개발프로젝트등을수행할계획이라고한다.일본에서상용양자컴퓨터가가동되는것은처음이다.일본뿐아니라그보다먼저인2017년5월,중국과학기술대학의판젠웨이(潘建偉)원사가상하이(上海)에서중국과학연구팀이개발한광양자(photon)컴퓨터로기존의양자계산능력을초월하는데성공했다고발표했다.기존컴퓨터의양자계산능력을크게뛰어넘는세계최초의광양자(photon)컴퓨터가중국에서탄생한것이다.그렇다면이렇게연구및개발이가속화되고있는양자컴퓨터그리고광양자컴퓨터는과연무엇일까?
양자역학(quantummechanics,量子力學)을이용하는양자컴퓨터는연산능력을비약적으로높여‘꿈의컴퓨터’라고불리기도한다.슈퍼컴퓨터보다수억배빠른양자컴퓨터는각종소재연구나금융상품개발·분석등여러분야에서활용되고있으며,양자컴퓨터를효과적으로활용하는것은향후산업경쟁력을높이는데중요한요소가될수있다는평가가나온다.미국IBM,구글,인텔,마이크로소프트등과중국글로벌IT기업들역시개발에속도를내고있다.
20세기초뉴턴역학으로설명할수없던원자세계의질서를밝혀낸학문적혁명을1차양자혁명이라고한다면,‘양자중첩(quantumsuperposition,量子重疊)’과‘양자얽힘(quantumentanglement)’이라는양자의물리학적속성이컴퓨터,통신,센서등실제기술에적용된것을2차양자혁명이라고할수있다.양자중첩은0과1의두신호가섞여있는상태인데,이를구현한양자비트(quantumbit),즉큐비트(qubit,양자컴퓨터의연산단위)로컴퓨터를만들면데이터를동시다발적으로처리해막강한연산능력을가진양자컴퓨터가된다.양자얽힘은원자나이온등양자2개가아무리멀리떨어져있어도마치서로연결된것처럼행동해하나의상태가바뀌면나머지하나도바뀌는것을말한다.
기존의양자컴퓨터에서는원자나이온,초전도,스핀을양자비트로사용했다.반면,빛을이용한양자컴퓨터,즉광양자컴퓨터의최대특징은양자비트로빛의양자인광자(photon,광양자)를사용한다는점이다.광자는당연히빛의속도로움직이고있기때문에‘정지형양자비트’가아니라‘비행형양자비트’라고부를수있다.따라서광자를사용한양자컴퓨터를구별하여‘광양자컴퓨터’라한다.실온이나대기중에서도동작하기때문에중첩상태나양자얽힘을생성하고유지하는데거대한냉각장치나진공장치가불필요하여실용성이높다는점,빛은공간을광속으로이동하기때문에정보통신에도그상태로이용할수있다는점등을그특징으로들수있다.
양자,광자,양자중첩,양자얽힘,양자텔레포테이션……
슈퍼컴퓨터를훨씬뛰어넘는저소비전력과고속계산
복잡하고불가사의한양자역학과양자컴퓨터는무엇?
양자컴퓨터의원리를이해하기위해서는,먼저‘양자’란무엇인가를알아야한다.양자란간단하게말하면,원자나분자,전자,광자등의아주작은물질이나에너지의단위이다.이세계의물질을끝까지잘게분해하면분자에서원자,원자에서양성자나중성자,그리고전자,광자등의소립자에도달한다.이러한아주작은세계에서는,에너지가연속적인값이아닌이산적인(띄엄띄엄떨어진)불연속값을취한다.이것을‘양자화’라고한다.그리고이러한양자특유의물리현상을기술하는것이양자역학이다.
양자컴퓨터를실현할때빼놓을수없는것이앞서말한‘양자중첩’과‘양자얽힘’이다.이것들은양자특유의아주불가사의한현상으로,양자역학이일반적으로어렵다고여겨지는원인이기도하다.양자중첩이란한마디로,하나의양자가여러상태를동시에취하는,즉중첩된현상을가리킨다.양자얽힘이란중첩상태에있는양자가2개이상인특수한상태에서,그중하나의양자상태를관측(측정)하면다른양자에게도‘순식간에’영향을미치는신기한상태를말한다.이러한양자역학과함께많은사람들에게유명한것이바로오스트리아빈출신의물리학자에르빈슈뢰딩거와‘슈뢰딩거의고양이’이다.슈뢰딩거의고양이란살아있는상태와죽어있는상태의중첩상태에있는고양이가관측으로인해살아있는지죽어있는지가정해진다는것이다.
20세기초반에탄생한양자역학은당시에는사고실험에지나지않아학문적인성격이짙었다.하지만1980년즈음에는양자역학과정보과학이연결되어새로이‘양자정보과학’이라는분야가출현했고,그에의해실용적인응용예가제안되기시작했다.그리고그선두에있는것이바로양자컴퓨터이다.통신의역사를되돌아보면,이전에는케이블을사용해서전화를했던시대가있었지만,지금은훨씬빠른광섬유로대체되었고,인터넷도더욱고속으로이용할수있다.그이유는바로빛을이용함으로써주파수대역을높일수있었기때문이다.무선통신의경우에는주파수대역이10기가헤르츠(GHz)정도인것에비해,광통신의경우에는대략10테라헤르츠(THz)나되어약1,000배나빠르기때문에,문자그대로격이다르게빠르다.이렇게생각하면통신이전기에서빛으로바뀐것과같이,컴퓨터도전자에서광자로바뀌는것이자연스러운흐름인것이라고이해할수있다.
빛을이용한양자컴퓨터개발의선두에선연구자가
원리와이론,그리고그실현의과정을이야기하는양자컴퓨터교양서
그리고『빛의양자컴퓨터』가독자들에게전달하고자하는메시지
이러한양자컴퓨터연구와개발에서대두되고있는것이앞서말한‘광자’이다.광자,즉빛을이용한양자컴퓨터연구개발의선두에선연구자중일본도쿄(東京)대학교의후루사와아키라교수(古澤明)가있다.일본의물리학자로,도쿄(東京)대학교공학부물리공학과,캘리포니아공과대학교(Caltech)를거쳐,현재도쿄대학교대학원공학계연구과교수로재직중이다.이후루사와교수가직접연구한양자컴퓨터개발의전모를밝히며친절히양자컴퓨터에대해원리와이론,그리고실제연구과정을생생히소개하고있는책이바로동아시아에서출간된교양서『빛의양자컴퓨터(원제:光の量子コンピュ？タ？)』이다.
현재양자컴퓨터는다양한플랫폼에서연구개발이진행중이다.바야흐로양자컴퓨터의‘춘추전국시대’이다.초전도물질,극저온원자,이온,빛(광자)등다양한후보들이저마다의장단점을가지고장래상용양자컴퓨팅시스템이되고자힘겨루기를하고있다.이책에서는그중에서빛을이용한양자컴퓨터연구개발을소개한다.광자는빛의속도로이동한다는성질을살려서양자통신분야에서주목을받고있으나,정보를처리하고저장하는양자컴퓨터의플랫폼으로서는다른경쟁자들보다주목을덜받아왔다.하지만지은이는극저온에서만작동하는다른플랫폼과달리상온에서작동시킬수있는빛만이궁극적으로상용양자컴퓨터를만들수있다믿고,빛이가진장점을최대한살려서연구를진행하고있다.
지은이후루사와교수는빛을이용하여양자텔레포테이션과양자얽힘에성공한본인의연구를소개한다.양자텔레포테이션이란양자얽힘을이용하여한장소에서다른장소로양자정보를전송하는현상으로,양자통신의핵심기술이다.지은이는2개의양자비트의양자얽힘상태를이용한양자텔레포테이션뿐만아니라,다수의양자비트(광자)가얽혀있는슈뢰딩거의고양이상태의양자텔레포테이션에도성공했다.또한,광펄스를양자비트로채택하여시간차원을이용함으로써100만개양자비트의얽힘상태구현에도성공했다.이는초전도물질이나이온등을이용한양자컴퓨터가수십에서수백개의양자비트를다루고있는것과비교했을때매우획기적인숫자이다.발상의전환을통하여양자컴퓨터의양자비트개수를획기적으로늘릴수있는방법이기에유명한과학저널인《사이언스(Science)》에도소개되었다.
지은이는이책의목적을“세계최초의양자텔레포테이션이나다자간양자얽힘의제어등,‘빛’을이용한여러실험을성공시켜온연구와양자컴퓨터에의도전을독자들이현장감넘치게맛봤으면하는것”이라고말한다.빛을이용한양자컴퓨터가양자컴퓨터개발의세계에서큰패러다임변화를일으킬날은이제얼마남지않았다고한다.
양자컴퓨터는차세대컴퓨터로서주목을받았다.1980대에이론적으로제시된이후지난40여년동안양자컴퓨터는잡힐듯잡히지않는대상이었으나,최근10여년사이에눈부신도약이있었다.구글,IBM,마이크로소프트등굵직한글로벌대기업은물론여러벤처기업들까지양자컴퓨터개발을내세우는기업들도많이생겨났다.그중일부기업들은원격으로자신들의양자컴퓨터를이용할수있는상용서비스를제공하기시작했다.누구나무료혹은유료로수양자비트의양자컴퓨터에접속할수있는것이다.학문적으로는특정계산에대하여양자우월성이증명되고흥미로운양자상(quantumphase)을찾아내는등,이제는양자컴퓨팅의단순한입증을넘어서서실제로고전컴퓨터로는하기힘든재미있고어려운계산을풀어내고있다.바로지금이양자컴퓨팅분야의개화기라고할수있을것이다.
다만후루사와교수의연구에서는아직어떤‘계산’을수행한적이없기때문에‘광양자컴퓨터’를개발했다고하기는어렵다.중국의광양자컴퓨터개발그룹은76개의광자를이용해서의미있는계산을수행해서양자우월성을보여주었기에광양자컴퓨터라고명명할수있는데,후루사와교수의방법은다른접근방식으로(책에나오는시간다중을이용한방법)양자얽힘을만들수있는양자비트의개수를수만~100만개로늘리는데성공하여,향후상용화광양자컴퓨터의기반을마련했다고할수있다.
재미있는것은이책의옮긴이채은미조교수는지은이후루사와아키라교수의제자이기도하다.2007년에도쿄대학교공학부물리공학과를졸업하고,2009년에같은대학교대학원공학계연구과물리공학전공의석사과정을수료했고,역시후루사와교수처럼도쿄대학교대학원공학계연구과조교수를거쳤다.옮긴이는현재고려대학교물리학과조교수로재직하고있으며,극저온분자와빛을이용한양자기술개발연구를진행중이다.
일본국내자체적인양자컴퓨터연구개발성공으로부터
우리대한민국은무엇을배울수있을것인가
양자컴퓨터연구개발의미래를생각하며
광양자컴퓨터개발의최종목표는광칩화라고지은이는말한다.모바일기기에탑재할수도있을것이고,이를20년후에실현하는것을목표로하고있다.또한,양자계산처리를실현한단계에서이를네트워크화함으로써광양자통신으로발전시켜나가는포부도지은이는책에서밝히고있다.미래에는광양자컴퓨터가실현되어서,슈퍼컴퓨터를넘은‘슈퍼슈퍼컴퓨터네트워크’가실현될것이라기대하며그것이궁극적인목표라고한다.
『빛의양자컴퓨터』후반에서지은이가간략하게언급하고있지만,이번역교양서가한국의독자들에게던지는메시지는의미심장하다.지은이는스스로의역할을자신의학생들에게얼마나재미있는장난감을제공할수있는가라고생각한다.학생들은게임을하듯이매일즐기면서,말그대로먹고자는것을잊을정도로연구개발에몰두하며,지은이자신도이러한최고의환경을제공할수있다는것을매우기쁘게생각한다.바꿔말하면,학생을방해하지않는것이지은이의방침이다.몰입해서즐기고있는학생을방해하는것만큼아둔한일은없다.그래서학생이실험할때살피러가서이것저것지시하거나정기적인미팅을하는일은일절없다.이런연구실은일본에서는흔치않은데,이러한마음가짐이세계최초의연구개발의성과를이끌었을것이다.
지은이는이성공이일본국내에서자체적으로이루어진일이라는점을강조한다.미국과유럽이주도권을쥐고있는초전도물질,이온,극저온원자시스템과는달리,이연구는아이디어개발에서부터실제구현까지모두일본에서처음으로실현되었다.글로벌시대에국내에서자체적으로개발했다는사실이뭐그리중요한가생각할수도있겠으나,기업들이양자컴퓨터사업에뛰어들면서이미많은관련기술들이특허등으로묶이고있는상황을생각하면그리평화롭게생각할수만은없다.양자기술은사회전반에걸쳐정보가더욱더중요시되고있는현대사
