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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 10셉틸리언(1셉틸리언=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 10셉틸리언년은 우주 역사보다도 긴 시간이다. 전문가들은 양자 컴퓨터가 기존 수퍼컴퓨터보다 30조배 이상 빠른 연산이 가능하다고 본다. 이미 상용화 문턱에 있는 양자 컴퓨터 관련 시장 규모는 지난해 기준 8조9155억원에 이르며, 2031년엔 32조1202억원에 달할 전망(한국지능정보사회진흥원)이다.
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. 이들의 움직임에 대하여는 인간이 이해하기 어려운 부분이 많다. 특히 전자는 존재하는 것은 확실하지만 어디에 있는지 정확하게 파악할 수 없는데, 이런 불가사의한 전자가 어떻게 돌아다니고 있는지를 개념적으로 설명하는 것이 양자역학(力學·움직임에 관한 학문)이다. 앞서 말한 전자의 상태를 물리학자들은 종종 ‘솜사탕’에 비유해 설명한다. 전자가 어디서 어떻게 움직이는지를 정확히 알 수 없는 두루뭉술한 상태란 뜻이다.
2. 파악할 수가 없는데 어떻게 설명하나
어쩌면 잘 모른다는 것이 양자역학의 핵심일 수 있다. 아이작 뉴턴이 상징하는 고전 물리학, 혹은 고전 역학은 ‘법칙’으로 세상이 돌아가는 이유를 설명한다. ‘힘이 가해지지 않으면 움직이는 물체는 계속 움직인다’ 같은 ‘관성의 법칙’이 대표적이다. 하지만 양자역학은 세상의 이치를 법칙이 아닌 확률로 설명한다. ‘확률에 따라 있을 수도 있고, 없을 수도 있다’, 달리 표현하면 ‘있기도 하고 없기도 하다’는 이런 개념을 양자역학에선 ‘중첩’이라고 한다.
3. 이런 개념을 누가 알아냈나
이런 양자역학 개념은 독일의 과학자 막스 플랑크가 1900년 알아냈다. 양자 개념은 고전 물리학으로 설명할 수 없었던 초(超)미시 세계의 복잡한 현상을 이해하는 열쇠로서, 현대 양자역학의 기초가 됐다. 다만 양자역학은 인간의 감각으로 경험하는 세상 움직임과는 전혀 다른 개념을 담은, 상식을 뒤집는 영역이어서 이해하기는 매우 어려운 분야다. 물리학 전공자들도 매우 어려운 부문 중 하나로 여기니, 개념을 완전히 이해하지 못하더라도 너무 좌절할 필요는 없다.
4. 양자 컴퓨터는 그럼 뭔가
‘양자 컴퓨터’라고 하면 ‘양자’라는 특수한 물질이 있어서 그걸 쓴다고 여기는 경우가 많은데 이는 아니다. 앞서 말한 양자역학의 ‘중첩’이란 원리, 즉 양자역학 개념을 차용해서 만드는 컴퓨터를 양자 컴퓨터라고 한다. 기존 컴퓨터의 ‘뇌’ 역할에 해당하는 부품엔 중앙처리장치(CPU) 또는 그래픽처리장치(GPU)라는 반도체가 있다. 양자 컴퓨터에서 그 역할을 하는 부품을 양자 프로세서(QPU·Quantum Processor Unit)라고 한다.
5. 기존 컴퓨터를 놔두고 왜 굳이 양자 컴퓨터를 만들었나
수퍼컴퓨터조차 성능에 한계를 보이기 때문이다. 인간은 1943년 최초 컴퓨터인 ‘에니악’을 만든 이래 컴퓨터 성능을 비약적으로 발전시켰다. 크기는 작아지고 속도는 빨라졌다. 하지만 엄청나게 많은 데이터를 처리해 만들어지고 발전하는 AI 시대가 오자 지금의 반도체 성능으론 이를 따라가기 어려워 획기적인 발전이 이뤄져야 한다는 평가가 나오고 있다. 소프트웨어와 프로그램 발전 속도가 너무 빨라 하드웨어(반도체)가 이를 따라잡지 못하는 세상이 온 것이다. 양자 컴퓨터 개념이 나온 것이 이미 60년 전인데도, 최근 들어 관련 연구에 속도가 붙은 이유다.
6. 양자 컴퓨터를 일반인도 써볼 수 있나
아니다. 아직 양자 컴퓨터는 실험 단계에 있기 때문에 일반인에게 파는 물건은 아니다. IT 기업이나 대학 연구실에서 여러 가지 방식을 실험하는 정도다. 구글, IBM 등은 클라우드에 일부 기능을 올려 프로그래머 등이 사용할 수 있도록 해두긴 했지만 컴퓨터 프로그래밍을 해야만 이를 쓸 수 있다.
7. 양자 컴퓨터를 이해하려면 양자역학을 꼭 알아야 하나
굳이 다 알 필요는 없다. 전문가들은 ‘중첩’의 기본 개념 정도만 이해하고 넘어가면 된다고 설명한다. 양자 컴퓨터의 계산 능력이 이 두 개념을 활용해 천문학적으로 빨라질 수 있기 때문이다.
8. 중첩을 좀 더 알기 쉽게 설명한다면
양자역학에서 ‘중첩’이란 입자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있다는 논리다. 빙글빙글 돌아가는 동전에 많이 비유한다. 동전이 도는 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 이런 여러 상태가 ‘중첩’된 성향을 지닌다.
9. 중첩의 또 다른 예는
양자역학에서 중첩을 설명할 때 흔히 ‘슈뢰딩거(과학자 이름)의 고양이’라는 사고 실험을 예로 든다. 이 실험을 간단히 요약하자면 확률 50%로 독가스가 나오는 상자 안에 고양이를 두고 일정 시간이 지나 고양이가 살았는지 죽었는지 알아보는 실험이다. 상식적으론 고양이가 살아있을 확률은 50%다. 양자역학 관점에서는 상자 뚜껑을 열어보기 전에 고양이는 ‘살아 있기도 죽어 있기도 하다’고 본다. 결과를 확인하기 전엔 고양이가 삶과 죽음의 ‘중첩’ 상태로 존재하기 때문이다.
10. 중첩 개념이 컴퓨터에 어떻게 쓰이나
컴퓨터 속도를 빠르게 만들어준다. 기존 컴퓨터에선 트랜지스터 한 개에 전기를 흘려보낼 때 1, 끊기면 0과 같은 2진수로 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 중첩 개념이 쓰인다. 큐비트는 계속 돌아가는 동전처럼, 앞면(예를 들면 ‘0′)과 뒷면(’1′) 사이 가능성이 동시에 존재한다. 동시다발로 데이터를 처리할 수 있고, 그만큼 속도가 빨라진다는 뜻이다. ‘큐비트’가 늘어나면 확률적으로 동시에 존재할 수 있는 상태가 늘어난다. 예를 들어 ‘슈뢰딩거 고양이’의 상자가 두 개, 세 개, 1만개로 늘어날 수 있는 셈이다. 각각의 고양이가 살 수도, 죽을 수도 있는 상태이므로 가능한 ‘상태’의 수는 엄청나게 늘어난다. 큐비트가 늘어날 수록 컴퓨터 속도는 빨라지게 된다.
11. 지금까지 양자 컴퓨터가 잘 한다고 밝혀진 분야가 있나.
양자 컴퓨터는 특히 잘하는 계산이 있다. 소인수분해가 대표적이다. 고전 컴퓨터는 특정한 숫자를 소인수분해하기 위해 일일이 어떤 소수(素數·1과 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.
12. 양자 컴퓨터의 또 다른 전문 분야는
가장 빠른 길을 찾는 최적화 경로 산출에서도 위력을 발휘한다. 예컨대 택배 기사가 5곳에 배송을 가야 한다고 치자. 이 경우 5군데를 가는 순서의 경우의 수는 120가지(54321)가 나온다. 배송지가 10곳으로 늘어나면 360만가지, 15곳으로 늘면 1조3000억가지로 늘어난다. 이때 고전 컴퓨터는 각 경우의 수를 갈 경우 시간이 얼마나 걸리는지를 일일이 계산해 결론을 내린다. 늘어난 경우의 수만큼 계산 횟수도 증가한다. 15곳(1조3000억가지)에 대한 계산을 현재 가장 발달한 수퍼컴퓨터 ‘프런티어’로 하면 0.0000013초 만에 해결하지만, 방문지가 30곳으로 늘어나 버리면 계산에 필요한 시간이 841만년으로 급증한다. 물론 수퍼컴퓨터도 알고리즘을 개발해 이 시간을 단축할 순 있지만 양자 컴퓨터가 이 같은 문제에서 월등한 성능을 내는 것은 분명하다.
13. 양자 컴퓨터로 복잡한 암호를 무력화할 수도 있나
이론적으로 가능하다. 현재 암호를 만들 때 소수들의 곱셈을 활용하는 방식이 흔히 쓰이고 있기 때문이다. 종전 보안 암호는 고전 컴퓨터로는 큰 소수들의 곱을 다시 풀어 헤치는 소인수분해가 어렵다는 특성을 이용해 만든다. 그런데 양자 컴퓨터의 특기는 소인수분해라 문제가 생겼다. 종전 일반 컴퓨터가 1만년 정도는 걸려야 풀어낼 난도의 소인수분해 문제로 암호를 걸어뒀는데, 양자 컴퓨터 시대가 열리면 수 초 만에 암호가 풀려버릴 위험에 봉착했다. 군사, 안보, 금융 등 보안이 특별히 중요한 분야에서 발등에 불이 떨어진 이유다.
14. 암호가 다 무력화되는 걸 막는 방법은 없나
창의 발달과 함께 방패에 대한 연구도 함께 진척되고 있다. 양자 컴퓨터로도 뚫어낼 수 없는 암호 중에는 ‘양자 암호’가 있다. 측정해 보기 전에는 안에 든 내용물이 무엇인지 알 수 없는 양자의 특성을 활용해 암호 사용자들끼리만 암호 열쇠를 안전하게 공유할 수 있다는 게 양자 암호의 원리 중 하나다.
15. 양자 컴퓨터의 또 다른 쓸모는
양자 컴퓨터는 수퍼컴퓨터로도 수년이 걸려야 처리 가능한 데이터를 수초 만에 처리해 낼 수 있다. 이렇게 되면 공학·과학·수학 등 기초과학 분야뿐 아니라 복잡한 계산이 필요한 날씨 예보·천문·우주항공 등과 같은 산업 영역에 큰 영향력을 발휘할 수 있을 전망이다. 특히 AI의 학습 속도를 천문학적으로 빠르게 해 더 완벽한 자율주행 기술이나 신약 개발, 우주 기술 개발 등에 기여할 것으로 예상된다.
16. 양자 컴퓨터의 단점은
양자 컴퓨터는 ‘꿈의 기술’로 통하지만 오류율이 높다는 게 단점이다. 큐비트는 초미세 환경에서 작동하니까 환경 요인에 민감하고 오차가 많이 난다. 고전 컴퓨터와 아예 다른 논리 구조로 작동하다 보니 새로운 프로그래밍 접근 방식을 써야 해 다루기가 어렵다는 단점도 있다.
17. 양자 컴퓨터, 누가 잘하나
양자 컴퓨터는 아직 기술이 완전히 정립되지 않았다. 이에 누가 기술적으로 가장 앞섰는지 말하기 쉽지 않다. 에니악이 처음 만들어진 이후 현재의 실리콘 기반 반도체 컴퓨터로 자리 잡기까지 수십 년이 걸렸듯이 양자 컴퓨터 역시 어떤 소재를 활용해 연산용 하드웨어로 쓸지 각 기업과 학계에서 실험 중인 상태다.
18. 양자 컴퓨터는 어떻게 만드나
초전도체 방식이나 이온 트랩 방식이 가장 많이 알려져 있다. IBM, 구글 등은 양자가 안정적으로 유지되도록 극저온(영하 273도)에서 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. 모두 매우 복잡한 방식이어서 굳이 완벽히 이해할 필요는 없다.
19. 양자 컴퓨터 분야는 투자할 만한가
양자 컴퓨터의 전도유망한 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.
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