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컴퓨터 역사의 새 장을 펼칠 꿈의 ‘양자컴퓨터’

양자정보처리 수행하는 연산장치…기하급수적으로 빠른 연산 가능

100여 년 전 볼츠만, 아인슈타인, 보어 등에 의해서 정립된 양자역학은 상대성이론과 더불어 가장 기이한 과학 원리로 손꼽힌다. 양자역학은 양자중첩, 불확정성 원리, 측정에 따른 상태변화 등 세상이 돌아가는 완전히 새로운 방식을 이야기한다. 이러한 양자역학이 동작하는 방식은 뉴턴이 발견한 고전역학으로는 설명할 수 없는 비상식적인 현상이 많아, 아인슈타인이 죽을 때까지 양자역학은 불완전한 학문이라고 생각하기도 했다. 하지만 양자역학은 지난 100여 년 간 실험실에서 수없이 검증되었으며, 이제는 미시세계를 묘사하는 과학 원리로 널리 인정받고 있다. 오늘날 양자역학의 영향력은 기초과학에만 그치지 않고, 수많은 응용기술의 토대가 되었다. 가령 컴퓨터나 광통신에 필수적인 반도체나 레이저 등의 발명은 양자역학을 이해한 후에야 가능했는데, 이들이 양자역학적 원리로 동작하기 때문이다. 컴퓨터나 광통신이 현대 정보사회에서 차지하는 비중을 생각하면, 현대 정보사회는 양자 역학의 토대 위에서 성립되었다고 해도 과언이 아니다. 다만 이들은 양자역학의 원리로 동작하지만 고전적인 방식의 정보처리를 구현하는 연산장치, 즉 컴퓨터의 부품이 되는 소자들이다.

양자컴퓨터는 양자의 성질을 정보처리에 직접 응용한 양자정보처리를 수행하는 연산장치를 말한다. 고전정보처리와 양자정보처리의 가장 두드러지는 차이점은 정보의 기본단위가 다르다는 점이다. 고전정보처리에서는 0 또는 1의 논리값을 가지는 비트를 정보의 기본단위로 이용한다. 반면 양자정보처리는 0과 1은 물론 이들의 양자중첩까지 정보처리에 이용하며, 이를 양자 비트 또는 큐비트(Qubit)라고 부른다. 양자중첩은 둘 이상의 상태가 하나의 입자에 동시에 존재할 수 있다는 양자세계의 독특한 특성이다. 즉, 큐비트는 0 또는 1일 수도 있지만, 0의 확률과 1의 확률 이 동시에 존재하는 두루뭉술한 상태일 수도 있다. 여러 개의 큐비트가 있다면, 이들은 고전적으로 설명할 수 없는 방식으로 서로 영향을 주고받을 수 있는데, 이를 양자얽힘이라 부른다. 이러한 양자중첩과 양자얽힘 덕분에 양자컴퓨터는 디지털 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빠른 연산이 가능하다. 양자컴퓨터의 발명을 수학의 역사에 비유하자면 복소수의 발견과 유사한 점이 많다. 복소수의 발견은 그 자체로 수학의 영역을 크게 확장했을 뿐 아니라 복잡한 연산을 간단하게 할 수 있는 방법을 제시하였다. 양자컴퓨터 역시 디지털 컴퓨터로는 수행이 불가능하거나 매우 비효율적인 연산을 쉽게 수행할 수 있을 것으로 기대된다. 실제로도 비트를 0과 1, 두 정수로 나타내는 반면에 큐비트는 복소수로 표현할 수 있다.

이처럼 양자컴퓨터는 완전히 새로운 방식의 정보처리 방식을 제안함으로써 매우 강력한 연산 장치로 활용할 수 있는 무궁무진한 가능성이 있지만, 아직까지 이론적으로나 실험적으로 해결해야 할 난제가 많이 남아있다. 양자컴퓨터의 우월성은 근본적으로 디지털 컴퓨터와 완전히 다른 방식으로 동작하는 데에 있으므로, 디지털 컴퓨터에서 사용하는 알고리듬(algorithm)을 양자컴퓨터에 적용해서는 제대로 된 양자컴퓨터의 성능을 기대할 수 없다. 즉, 양자컴퓨터가 디지털 컴퓨터보다 빠르다는 명제는 양자중첩과 양자얽힘을 연산에 활용하는 양자알고리듬을 통해서만 성립할 수 있다. 지금까지 알려진 양자알고리듬으로는 큰 수의 소인수분해를 효과적으로 수행하는 쇼어(Shor) 알고리듬이나 데이터베이스에서 원하는 정보를 빠른 속도로 찾을 수 있는 글로버(Grover) 알고리듬 등이 있지만, 아직 유용한 양자알고리듬의 종류가 부족한 것이 사실이다. 따라서 양자컴퓨터의 성능을 최대한 활용할 수 있는 새로운 양자알고리듬의 개발은 양자컴퓨터의 실용화를 위해서 반드시 풀어야할 숙제이다.

양자컴퓨터 개발을 위해 실험적인 측면에서 반드시 해결해야 하는 난제는 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째, 자유롭게 다룰 수 있는 많은 수의 큐비트를 생성할 수 있어야 한다. 흔히 실용적인 양자정보처리에 응용하기 위해서는 적게는 수천 개에서 많게는 수백만 개의 큐비트가 필요하다고 한다. 이에 반해 현재까지 실험실에서 구현된 큐비트는 많아야 수십 개 수준에 불과하다. 더욱이 이상적인 양자컴퓨터를 구현하기 위해서 는 각각의 큐비트가 다른 모든 큐비트와 상호작용하여 양자얽힘을 만들 수 있어야 하는데, 이는 큐비트의 개수를 늘리는데 큰 기술적인 걸림돌이 된다. 두 번째 난제는 양자오류에 강인한 큐비트를 만드는 것이다. 양자연산을 수행하는 동안 큐비트가 양자중첩과 양자얽힘 등 양자 특성을 잃어버리면 연산 결과에 오류가 발생하며, 이를 양자오류라 부른다. 양자오류는 주로 큐비트와 외부환경의 상호작용 결과 발생하는데, 이를 최소화하기 위해서 대부분의 양자컴퓨터 실험은 초저온이나 초고진공 등 극한 환경에서 이루어진다. 극한환경에서도 발생하는 양자오류는 양자오류정정이라는 방법을 통해 수정할 수 있다. 하지만 양자오류정정을 위해서는 연산에 사용하지 않는 여분의 큐비트가 필요하므로, 실제 연산에 필요한 큐비트보다 더 많은 수의 큐비트가 필요하게 된다. 아직까지 이러한 난제를 모두 해결할 수 있는 물리계는 존재하지 않으며, 과학자들은 초전도체, 이온, 반도체, 광자, 원자 등 다양한 물리계에서 이들 난제를 극복하기 위해 노력 중이다.

이처럼 실용적인 양자컴퓨터 개발을 위해서는 아직 풀어야 할 숙제가 많이 남아있다. 그럼에도 불구하고 국내외 유수의 대학과 연구소는 물론 Google, IBM과 같은 거대 IT 기업에서 양자컴퓨터 연구에 매진하는 이유는 양자컴퓨터가 새로운 정보처리 패러다임을 제시함으로써 지금은 상상하기 힘든 파급력을 가져다줄 것으로 기대하기 때문이다. 100여 년 전 양자역학의 시작을 연 과학자들은 그들의 연구가 밑거름이 된 오늘 날의 정보사회를 예상하지 못했다. 양자컴퓨터와 더 나아가 양자정보통신이 가져올 미래 양자정보사회의 모습이 어떤 모습일지 기대되는 이유이다.

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