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  실현이 임박한 꿈의 기술, 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터의 힘은 엄청나다. 현재의 컴퓨터 기술로는 해결이 불가능한 문...



  • 양자 컴퓨터의 힘은 엄청나다. 현재의 컴퓨터 기술로는 해결이 불가능한 문제를 일거에 해소할 잠재력을 갖추고 있다. 더불어 제약, 유전학, 암호 해독 등 각종 분야에서 새로운 돌파구가 될 수 있다. 그러나 그 현실화에 여전히 거대한 장애물들이 존재하는 것도 사실이다. 현재 양자 컴퓨터 기술은 어디까지 진보했으며, 우리 사회에 끼칠 영향력은 무엇일까?


    작고한 이론물리학자 리처드 파인만은 “우리의 상상은 극한까지 뻗어간다. 소설처럼 실제 없는 것을 상상하기 위해서가 아니라 정말 실재하는 것을 이해하기 위해서 말이다.”라고 말했다. 파인만은 나노 기술의 개념을 발전시켰고, 양자 컴퓨팅Quantum Computing의 가능성을 처음으로 꿈꾼 사람이기도 하다.

    인간의 상상력에 도전한 기술이 있다면, 그것이 바로 양자 컴퓨팅이다. 전통적인 실리콘 컴퓨터에서는 데이터가 항상 1 또는 0 중의 하나를 나타내는 2진법 비트로 표시된다. 그러나 양자 컴퓨터에서는 중첩superposition의 원리를 통해 하나의 큐비트quantum bit 또는 qubit가 동시에 1과 0을 표시할 수 있다. 이것은 한 대의 양자 컴퓨터가 수많은 계산을 동시에 수행할 수 있음을 의미한다. 2큐비트 시스템은 동시에 4개의 값value에 대한 작업을 수행할 수 있고, 3큐비트 시스템은 8개 값을 처리할 수 있다. 큐비트가 늘어나면서 양자 컴퓨터의 수행력은 폭발적으로 증가한다. 수백만 개의 큐비트를 장착한 양자 컴퓨터라면 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터들도 100년은 걸려야 해결할 수 있는 데이터 처리와 문제 풀이를 단 몇 분 만에 해낼 수 있다는 의미이다.


    그 가능성과 잠재력은 놀랍도록 눈부시지만, 실제 개념을 현실화하는 과정은 쉽지 않았다. 효율적인 비용으로 하나 이상의 큐비트를 연결하는 것과 대규모 시스템에서 오류를 통제하는 일이 가장 어려운 과제였다. 그러나 <네이처>지에 발표된 연구에 의하면 현재 한 과학자 팀이 중요한 돌파구를 만들어 냈다. 그들은 최초로 실리콘에 ‘양자 논리 게이트’를 구현하는 데 성공하여 2개 큐비트 사이에서의 계산을 가능하게 만들었다.


    2큐비트 논리 게이트는 양자 컴퓨터를 구성하는 핵심적인 소재다. 현존하는 컴퓨터 칩을 만들 때와 동일한 기술을 사용함으로써 호주 뉴사우스웨일스 대학의 연구팀은 실물 프로세서 칩 제조를 훨씬 용이하게 만들었다. 현재 컴퓨터 산업에서 사용되는 제작 기술과 동일한 기술에 근거하기 때문에 실리콘 기반의 양자 컴퓨터를 제작할 수 있는 가능성이 훨씬 더 높아졌다. 연구팀이 <네이처>에 설명했듯이, 그들은 기존 실리콘 칩에서 비트를 정의하는 데 사용되는 트랜지스터를 재구성하여 큐비트로 전환시켰다. 연구팀은 실리콘 트랜지스터가 각각 하나의 전자만을 가지게 함으로써 큐비트로 변환시켰다. 그리고 0과 1의 2진 부호를 전자의 자기장과 연관된 전자스핀electron spin에 저장했다.


    그러나 실리콘으로 큐비트를 개발하는 것만으로는 충분하지 않다. 완전하게 작동하는 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 수백만 개의 큐비트를 정밀하게 제어하고 계산의 오류를 수정할 수 있도록 배치하는 능력이 필요하다. 이 과제를 해결하기 위해서, 뉴사우스웨일스 대학의 또 다른 연구팀이 새로운 실리콘 아키텍처를 설계했다. <사이언스 어드밴스Science Advances>지에 발표했듯이, 이 팀은 멜버른 대학 연구진과 협력하여 3차원 디자인 속에 전선에 배열된 원자 크기의 큐비트를 이용하는 양자 컴퓨터의 청사진을 만들어 냈다. 그들의 개념도를 보면 1차원적으로 배열된 큐비트를 오류에 훨씬 강한 2차원 배열로 변화시켰다. 이 큐비트 1겹이 3차원 시스템 속 두 겹의 전선 사이에 샌드위치처럼 끼워진다.


    이 전산 끝에 전압을 흘려주면 복수의 큐비트가 병렬적으로 제어되면서 훨씬 더 적은 제어 명령으로도 일련의 작업들을 수행할 수 있다. 이 설계를 따르면 2차원적 코드 오류 정정 프로토콜을 실행할 수 있다는 점이 중요한데, 그러면 계산 시에 오류가 발생하기도 전에 그 오류를 수정할 수 있다. 뉴사우스웨일스 대학 물리학과 학과장 스벤 로게Sven Rogge 교수에 따르면, “이 구조는 궁극적으로 실제 양자 프로세서를 만드는 데 필요한 수백만 개의 큐비트로 확장될 수 있다.”

    한편 본 대학과 케임브리지 대학의 물리학자들은 두 개의 전혀 다른 양자 시스템을 서로 연결하는 데 성공했다. 이 획기적인 성과는 양자 컴퓨터의 현실화에 있어 또 하나의 중요한 진보라 할 수 있다. 물리학 학술지 <피지컬 리뷰 레터Physical Review Letters>에 설명했듯이 그들은 다음 구성 요소의 장점을 결합시켰다.


    ▶ 양자점Quantum dot, qDot

    ▶ 충전된 원자 = 이온ion


    양자점은 놀랄 만큼 빠르게 양자 정보를 방출한다. 그러나 역시 계산 결과도 빠르게 잊어버린다. 반대로 이온은 느리게 반응하기 때문에 빠른 계산에서는 수행력이 떨어지지만 양자점보다 정보를 훨씬 더 오래 저장한다. 이들 대학의 물리학자들은 이렇게 완전히 다른 두 양자 시스템, 양자점과 이온이 조화롭게 작동할 수 있는 시스템을 개발했다.


    양자점은 일반적인 컴퓨터 칩을 만드는 것과 동일한 기술을 사용해 생산할 수 있다. 이를 위해서는 칩이 단 하나의 전자만 가질 수 있도록 최소화시키기만 하면 된다(기존 개인용 컴퓨터는 10~100개의 전자를 가진다). 양자점에 저장된 전자는 양자 이론에서 예측한 상태에 놓이게 된다. 그런데 이 상태는 굉장히 생명이 짧아서 몇 피코 초picosecond(1조분의 1초) 안에 붕괴된다. 이 붕괴로 인해서 작은 섬광, 즉 광자photon가 한 개 만들어진다.


    광자는 특정 편광 방향에서 진동하는 파속wave packet이다. 양자점의 상태가 양자 편광의 방향을 결정한다. 본 대학 물리학 연구소의 미하엘 콜Michael Kӧhl 교수는 “우리는 이온을 자극하기 위해 광자를 이용했다. 그 다음 광자의 편광 방향을 저장했다.”고 말한다. 이를 위해 연구자들은 가는 유리 섬유를 양자점에 연결했고, 이 섬유를 통해 광자를 몇 미터 떨어진 이온으로 이동시켰다. 전자통신에 사용되는 광섬유 네트워크도 이와 매우 유사한 방식으로 작동한다. 최대한 효율적으로 정보를 이송하기 위해 연구진은 이온을 두 개의 거울 사이에 가뒀다. 마치 탁구를 하듯 거울 사이에서 광자가 앞뒤로 튕기다가 이온에 의해 흡수된다.


    콜 교수는 “거기에 레이저 광선을 쏘아 자극된 이온을 읽을 수 있었고, 이 과정을 통해 이미 흡수된 광자의 편광 방향을 측정할 수 있게 됐다.”고 설명한다. 이는 양자점이 이온에 저장될 수 있으며, 이론적으로 몇 분간 그 상태를 유지할 수 있다는 말이다.


    이 혁신적 연구 결과는 이제 양자 컴퓨터에 필요한 모든 물리적 조건들이 성공적으로 구성되어, 작동 가능한 양자 컴퓨터를 설계하고 제작하는 임무에 착수할 수 있는 조건이 마련되었다는 것을 의미한다.


    이러한 연구 결과와 기술 발전 속도를 감안하여 우리는 앞으로 다음과 같이 예측한다.


    첫째, 2030년에는 실물 양자 컴퓨터가 현재 가장 뛰어난 슈퍼컴퓨터의 능력을 뛰어넘어 여러 분야의 복잡한 문제를 해결하는 데 큰 도움을 줄 것이다. 양자 컴퓨팅은 다음과 같이 금융, 보안, 의료 부문에서 주로 활용될 것이다. 컴퓨터를 이용한 약물 합성 설계가 가속화되어 신약 개발이 탄력을 받고, 일반 가전제품부터 항공기까지 사용될 수 있는 새롭고 가볍고 더 강력한 물질이 개발될 수 있다. 또 방대한 데이터베이스에서 더 빠르게 정보를 탐색할 수 있게 되고, 금융시장도 더욱 정교하게 구성할 수 있으며, 대도시의 교통망 최적화도 이뤄질 것이다.


    둘째, 양자 컴퓨팅 혁명의 초기 단계에 관심 있는 투자자라면 IBM, 알파벳Alphabet(구글의 지주회사), 마이크로소프트 그리고 디웨이브 시스템D-Wave Systems을 주의 깊게 살펴야 한다.


    ▶ IBM은 실제 양자 컴퓨터 개발을 위한 ‘로지컬 큐비트Logical Qubits’ 연구 프로그램으로 미국 국가정보국 산하 연구소인 정보고등연구기획청IARPA으로부터 최근 상당한 연구비를 지원받았다. IBM 리서치의 아르빈드 크리쉬나Arvind Krishna 사장은 “우리는 양자 컴퓨팅 분야에서 이론과 실험 단계를 넘어 엔지니어링과 활용으로 향하는 전환점에 있다. 양자 컴퓨팅은 현재 가장 강력한 컴퓨터로도 달성할 수 없는 속도와 능력을 통해 전 세계의 산업 수요에 엄청난 영향을 끼칠 잠재력을 갖고 있다.”고 말한다.


    ▶ 마이크로소프트는 산타바바라에 있는 자사의 ‘스테이션 Q’ 연구소에 양자 컴퓨팅 연구 조직을 두고 있으며 기초물리학, 첨단물질, 컴퓨터 공학을 연구하는 외부 연구진을 후원하고 있다. 스테이션 Q의 연구소장 마이클 프리드먼Michael Freedman에 따르면 “마이크로소프트는 실리콘 이후의 새로운 기술을 위한 토대를 개발하는 중”이라고 한다. 마이크로소프트는 자체적으로 2025년까지 실제 기능하는 양자 컴퓨터를 개발할 것이라고 예고했다. 또 최근에는 양자 컴퓨터를 위한 소프트웨어를 오픈소스로 공개하기도 했다. 이 소프트웨어는 컴퓨터 과학자들이 기존 컴퓨터를 이용해 양자 컴퓨터용 알고리즘을 개발할 수 있게 해 준다.


    ▶ 구글의 모회사 알파벳은 최근 <MIT 테크놀로지 리뷰>에 자신들이 제작한 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르다는 연구결과를 공개했다. 구글은 디웨이브 시스템이 개발하는 모든 차세대 양자 컴퓨터에 대한 접근권을 갖는 협약을 체결했다. 또 알파벳은 자체적으로도 양자 컴퓨팅에 접근하고 있다. <테크놀로지 리뷰>에 따르면 알파벳은 물리학자 존 마티니스John Martinis를 영입하여 디웨이브의 칩보다 큐비트가 적은 칩을 개발하려고 한다. 즉 자동주행 차량 등의 신기술을 개발하거나 구글의 개인맞춤형 광고를 개선하는 데 쓰일 패턴 인식과 머신 러닝 등의 특정 업무에 최적화된 칩을 만들려는 것이다.


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    References List :

    1.     The Character of Physical Law by Richard Feynman is published by Modern Library. © 1965, 1967, and 1994 Richard Feynman. All rights reserved.


    2.     Nature, October 15, 2015, Vol. 526, Iss. 7573, “A Two-Qubit Logic Gate in Silicon,” by M. Veldhorts, et al. © 2015 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

    http://www.nature.com/nature/journal/v526/n7573/full/nature15263.html


    3.     Ibid.


    4.     Science Advances, October 30, 2015, Vol. 1, No. 9, “A Surface Code Quantum Computer in Silicon,” by Charles D. Hill, et al. © 2015 American Association for the Advancement of Science. All rights reserved.

    http://advances.sciencemag.org/content/1/9/e1500707.full


    5.     Physical Review Letters, March 23, 2015, Iss. 114, “Direct Photonic Coupling of a Semiconductor Quantum Dot and a Trapped Ion,” by M. Kohl et al. © 2015 American Physical Society. All rights reserved.

    http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.123001


    6.     MIT Technology Review, December 18, 2015, “Google’s Quantum Dream Machine,” by Tom Simonite. © 2015 MIT Technology Review. All rights reserved.

    http://www.technologyreview.com/s/544421/googles-quantum-dream-machine


    7.     Wall Street Journal, January 29, 2015, “D-Wave Systems Raises C$29 Million to Build Quantum-Computing Software,” by Deborah Gage. © 2015 Dow Jones & Company. All rights reserved.

    http://blogs.wsj.com/venturecapital/2015/01/29/d-wave-systems-raises-c29-million-to-build-quantum-computing-software


    8.     MIT Technology Review, December 18, 2015, “Google’s Quantum Dream Machine,” by Tom Simonite. © 2015 MIT Technology Review. All rights reserved.

    http://www.technologyreview.com/s/544421/googles-quantum-dream-machine