[테크M=이순칠 KAIST 물리학과 교수] 덧셈 문제 100개를 숙제로 풀어야 한다고 하자. 친구가 도와준다면 절반 시간에 숙제를 마칠 수 있고, 친구 99명이 하나씩 나눠서 푼다면 100배 빠른 속도로 해결할 수 있다. 컴퓨터가 이런 식으로 문제를 나눠 해결하는 방식을 ‘병렬처리’ 한다고 말한다. 양자컴퓨터는 이런 병렬처리를 잘 한다. 양자컴퓨터가 현재 사용하는 고전컴퓨터보다 비약적으로 빠른 속도로 문제를 해결할 수 있는 이유가 바로 이 병렬처리 능력이다.

고전컴퓨터도 병렬처리를 한다. 그런데 이 컴퓨터가 병렬처리를 할 때는 CPU가 여러 개 필요하다. 예를 들어 덧셈을 100배 빨리 계산하려면 100개 CPU를 탑재한 컴퓨터가 필요하다. 아니면 1개 CPU를 가진 100대 컴퓨터를 연결해, 각 CPU마다 문제가 하나씩 배당되도록 알고리즘을 짜서 돌려야 한다.

반면 양자컴퓨터는 단 한 대가 병렬처리를 할 수 있으며, N비트짜리 양자컴퓨터는 2의 N제곱으로 병렬처리를 할 수 있다. 5비트는 2의 5제곱, 즉 32개 CPU를 가진 고전컴퓨터처럼, 32비트 양자컴퓨터는 약 40억 개 CPU를 가진 컴퓨터처럼 병렬처리를 할 수 있다는 뜻이다. 이처럼 양자컴퓨터의 양자 병렬처리는 고전적인 병렬처리로는 따라갈 수 없다.

초지능성 업그레이드 시킬 양자컴퓨터

단 컴퓨터로 처리하는 모든 문제가 병렬처리가 필요한 건 아니다. 앞 단계 계산 결과를 사용해야 하는 알고리즘이라면 당연히 나눠서 처리할 수 없어 병렬처리 능력이 무용지물이다. 따라서 양자컴퓨터가 모든 문제에서 고전컴퓨터보다 우수하다고 볼 수는 없다. 병렬처리가 필요한 문제만 천문학적으로 빠르게 계산할 수 있다.

병렬처리에 뛰어난 대표적인 문제에 암호풀이와 데이터검색이 있다. 온라인 거래를 할 때 사용하는 패스워드를 고전컴퓨터로 푼다면 수천 년이 걸린다. 하지만 양자컴퓨터로 몇 분이면 풀 수 있다. 패스워드가 모두 다 깨진다면 한 나라가 당장 큰 혼란에 빠질 수 있다. 무엇보다도 국방이 심각하게 위협받는다.

연구자들이 연구비를 신청할 때 기입해야 하는 필수항목 중 하나가 경제성이다. 양자컴퓨터를 연구하는 사람들은 경제성을 생각하지 않는다. 양자컴퓨터는 핵무기 같은 파괴력을 가지고 있는데, 아무도 핵무기 경제성을 논하지 않기 때문이다. 실제로 2차 세계대전 승리도 독일과 일본 암호가 연합군에 의해 깨졌을 때 이미 결정됐다. 원자폭탄은 그로기 상태에 있는 상대에게 마지막 펀치를 가한 것에 불과했다.

양자컴퓨터가 잘하는 데이터검색은 빅데이터 처리와 신약 개발에 혁신을 가져올 수 있다. 4차산업혁명에서 핵심기반기술요소는 초지능성과 초연결성이다. 양자컴퓨터는 초지능성을 한꺼번에 몇 단계나 업그레이드 시킬 수 있다. 그래서 양자컴퓨터가 개발되면 4차산업혁명에서 거론되는 키워드, 예컨데 인공지능에 의한 화이트칼라 노동 대체, 로봇 서비스, 사물인터넷, 가상현실 등에서 예상을 훨씬 뛰어 넘는 변화를 일으킬 것이다.

물리학자도 이해하지 못하는 ‘중첩’

우리 눈으로 볼 때는 세상 물체들이 연속적으로 이어져 있는 것처럼 보인다. 하지만 미시적으로 보면 덩어리진 원자들로 이뤄져 있다. 이러한 속성이 물질에게만 해당되는 것은 아니다. 그들이 가지는 ‘에너지’ 같은 물리적 속성도 연속적이 아니고 불연속적으로 변한다. ‘양자’란 덩어리란 뜻으로 이렇게 불연속적인 세상 법칙을 ‘양자물리’라 부른다.

양자컴퓨터가 병렬처리를 할 수 있는 이유는 양자세계에서 일어나는 ‘중첩’ 현상 때문이다. 사실 양자물리를 발견해낸 물리학자들도 중첩을 이해하지 못한다. 다만 이해하지 못한다고 해서 모른다는 뜻은 아니다.

알지만 이해하지는 못한다는 말은 무슨 뜻일까? 비유를 하자면 태어날 때부터 흑백만 볼 수 있는 색맹을 가진 사람이 다양한 색 물감으로 멋지게 그림을 그리는 것과 같다. 색을 모르는 사람도 컬러로 그림을 그리면 색을 볼 수 있는 일반 사람들이 어떻게 반응하는지 알 수 있어 나뭇잎에 초록 물감을 쓰고, 꽃을 그릴 때는 빨강과 노랑, 하양 같은 다양한 색을 쓴다. 그렇지만 이 색들이 주는 느낌을 이해하지는 못한다. 사과를 먹어보지 못한 사람에게 사과 맛을 설명한다고 해서 그 맛을 진정으로 느낄 수 없는 것과 같다.

양자물리 발견은 신이 우리에게 허락하지 않은 금단의 모습을, 담장 밖에서 소문만 듣고 알아낸 것과 같다. 사람이 스스로 이해하지도 못하는 사실을 알아낸 양자물리는 가히 인간지성사의 위대한 승리라고 할 수 있다. 물리학자 파인만이 “양자물리를 이해하는 사람은 아무도 없다고 장담할 수 있다”고 말했을 정도다. 노벨상을 받은 이런 대가가 아무도 이해하지 못한다고 말하면 아무도 이해하지 못하는 것이다.

양자물리에서 핵심개념인 중첩을 이해할 수 없는 이유는 우리 상식이나 경험과 전혀 맞지 않기 때문이다. 물리학자들은 실험으로 세상 삼라만상이 모두 파동의 성질을 가진다는 진리를 알아냈다. 파동이란 소리나 빛, 파도처럼 우리가 이미 익숙하게 알고 있는 현상이다. 파동은 반사와 굴절, 회절, 간섭을 하는데, 이 모든 현상이 파동의 ‘중첩성’에서 온다. 피아노로 도와 미, 솔, 세음을 한꺼번에 치면 아름다운 화음으로 들린다. 이는 세 개의 소리파동이 합쳐졌다는 뜻이며, 여러 개 파동이 합쳐지는 것을 중첩이라고 부른다.

그런데 양자물리에서는 물체도 파동 성질을 가지고 있다고 주장한다. 그렇다면 물체도 파동처럼 중첩이 가능해야 한다. 파동 중첩을 화음으로 이해했다면, 물체 중첩은 어떻게 이해할 수 있을까. 여기서부터 고민이 시작된다.

물체 중첩을 정확히 표현하자면 물체가 가질 수 있는 ‘상태 중첩’을 뜻한다. 예를 들어 수소원자 에너지가 바닥인 상태와 들뜬 상태가 중첩돼 있을 수 있다는 뜻이다. 그런데 만일 이런 현상이 우리가 사는 세상에서 일어난다면 어떨까. 예를 들어 탁자가 여기에 있는 상태와 저기에 있는 상태가 중첩돼 있다든지, 고양이가 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩돼 있다든지 하는 것이다. 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩돼 있다면 이게 도대체 어떤 상태일까? 강시나 좀비일까?

비상식적인 양자물리, 틀린 적 없는 예측

만약 양자물리가 맞다면 왜 우리는 일상에서 중첩 상태를 보지 못하는 것일까? 양자물리에서는 물체 상태가 중첩돼 있다가 우리가 보는 순간에 이 중첩이 사라진다고 주장한다. 얼마나 편리한 변명인가! ‘무궁화 꽃이 피었습니다’ 놀이를 할 때 뒤에 있는 바위에서 왼쪽에 있는 상태와 오른쪽에 있는 상태가 반반씩 중첩돼 있다가, 우리가 싹 돌아서서 보는 순간에 왼쪽이나 오른쪽 둘 중 하나만 있게 된다. 이런 주장은 증명도 반증도 할 수 없지만 워낙 비상식적이어서 합리적인 사람은 무시해 버린다. 만일 소리도 양자물리 법칙을 따른다면 도미솔을 한꺼번에 쳐도 도나 미나 솔이 들릴 뿐이고 화음을 절대 들을 수 없다는 주장에 해당하니까. 그런데 양자물리 예측은 지금까지 틀린 적이 없기 때문에 단순히 무시해 버릴 수만은 없다는 게 딜레마다.

양자물리의 아버지라 부르는 보어는 “입 닥치고 계산이나 열심히 해”라고 말했다. 양자물리 예측은 틀린 적이 없는데, 계산과정에는 중첩상태가 나온다. 보어는 철학적 해석에 시간 낭비하지 말고 열심히 계산해 쓸모 있는 결과를 내라고 말했다. 당장 실용성 있는 연구로 연구비를 따야했던 학자들 대부분은 보어 말대로 열심히 계산해서 현대과학의 토대를 마련하고, 지금의 문명을 일으켰다.

양자물리 덕분에 화학은 드디어 연금술에서 벗어나 과학다운 과학이 됐고, DNA 염기서열을 알게 해 유전공학이 시작됐다. 핵분열을 이해해 원자폭탄이나 원자로를 만들게 해준 것도 양자물리다. 생각은 하지 않고 열심히 기계적으로 계산만 했기 때문에 이 시기를 양자물리의 암흑기라 부른다. 암흑기가 양자물리의 아버지라 부르는 보어에 의해 전개됐다는 사실은 아이러니하다.

아인슈타인을 비롯한 몇몇 과학자들은 암흑기에 중첩에 대한 철학적 의미를 생각했다. 그리고 이 맥을 이은 사람들이 양자정보기술을 발명해냈다. 양자정보기술은 세상에서 암호를 순식간에 푸는 양자컴퓨터, 도청이 전혀 불가능한 통신, 순간이동 같은 공상과학 수준의 기술을 포함하고 있다. 이런 기술이 공상과학 같이 들리는 이유는 이것이 양자물리에서 이해하기 어려웠던 중첩이라는 현상에서 기인하기 때문이다.

고전컴퓨터는 0과 1 각각에 대해 계산한다. 반면 양자컴퓨터는 중첩 상태를 이용할 수 있어 0과 1에 대한 연산을 동시에 수행할 수 있다. 예를 들어 10비트짜리 고전컴퓨터와 양자컴퓨터로 어떤 함수에서 근을 찾는다고 하고, 답은 1과 1024 사이에 있다고 해보자. 고전컴퓨터는 함수에 1을 넣어 함수 값이 0이 나오는지 확인하고, 아니면 2를 넣어 다시 확인하고, 이런 작업을 0이 나올 때까지 반복한다. 반면 양자컴퓨터는 1부터 1024까지 숫자를 한꺼번에 함수에 집어넣고, 어떤 숫자가 함수 값을 0이 되게 만드는지 알아낸다. 10비트는 210=1024개 숫자를 나타낼 수 있으니까 10개 비트에 해당하는 10개 양자상태를 몽땅 중첩시키면 1024개 숫자가 모두 중첩되는 효과가 있기 때문이다.

양자컴퓨터는 이온덫, 초전도소자, 반도체 내 스핀 같은 방법으로 만든다. 이온덫이란 원자에서 전자 한두 개를 떼어내거나 붙인 이온들을 전기장을 사용해 한 공간에 가둬놓은 시스템을 말한다.

이때 일렬로 나열돼 공중에 둥둥 떠 있는 각 이온들이 한 개 비트 역할을 한다. 초전도소자를 비트로 사용하거나 반도체 내에 일정한 간격으로 심어진 원자 스핀을 비트로 사용하기도 한다. 한 때는 이온덫을 이용한 양자컴퓨터가 가장 앞서 개발되다가 최근에는 초전도소자를 이용한 양자컴퓨터가 더 앞서 나가고 있다.

나노기술이 양자컴퓨터 실용화 이끌 것

비트 수가 늘어날수록 다루기가 급격하게 어려워지기 때문에 실용적이라 할 수 있는 수백 비트 CPU를 가진 양자컴퓨터를 보려면 앞으로도 최소 10년 이상은 기다려야 할 것으로 전망된다. 앞으로 5~10년 내 실용적인 양자컴퓨터를 개발한다고 말하는 사람들이 뜻하는 양자컴퓨터는 우리가 생각하듯 어떠한 계산이든 다 할 수 있는 범용 양자컴퓨터가 아니다. 수십비트 정도인 CPU를 만들겠다는 것이다. 이 정도만 잘 만들어져도 양자계 모사 같이 몇 가지 특수 목적 계산에 잘 쓸 수 있다.

요즘 발표되는 50비트, 70비트짜리 양자컴퓨터는 비트를 물리적으로 만들어 나열은 했지만 계산을 제대로 하지는 못한다. 그리고 실용화와 상용화는 다르다. 모든 암호를 다 깰 수 있는 양자컴퓨터가 한국에서 개발된다면 청와대 지하에 딱 한 대 만들어 놓고 조용히 세계 암호를 다 풀면서 도청하고 있지 왜 이런 것을 개발했다고 자랑하겠는가. 여러 나라가 그런 좋은 컴퓨터를 만들면 각자 서로 쉬쉬하며 쓰고 있다가 누구나 다 보유할 것 같으면 그 때서야 상용화를 시작할 것이다. 이렇기 때문에 우리 책상 위에 양자컴퓨터가 올라오려면 또 다시 10년을 더 기다려야 할 것이다.

그러나 양자컴퓨터 개발을 불가능하게 만드는 이론적 걸림돌은 없기 때문에 언젠가는 개발될 것이다. 양자컴퓨터가 현재 장난감 수준으로만 만들어지는 이유는 미세입자 하나하나의 양자상태를 조작할 수 있는 나노기술을 아직 충분하게 발달시키지 못했기 때문이다. 나노기술의 궁극적 목표는 개개 양자 조작이라고 할 수 있다. 언젠가 나노기술이 이런 수준으로 발전하면 자연히 양자컴퓨터가 만들어질 수 있을 것이다. 이처럼 양자컴퓨터 개발은 첨단 나노기술 개발을 이끄는 견인차 역할을 한다. 국내 양자컴퓨터 연구 수준이 외국에 비해 열악한 이유도 첨단 나노기술이 열악한 때문이라고 생각된다.

현재 우리가 사용하는 고전컴퓨터 성능은 거의 한계에 도달해 새로운 컴퓨터가 필요한 상황이다. 구성하는 소자 크기가 점점 작아지면서 양자현상이 두드러져 제대로 작동하지 못하기 때문이다. 데이터를 저장하는 소자 크기는 점점 작아져 현재 수백 개 원자에 데이터 하나를 저장하는 정도다. 하지만 언젠가 원자 하나에 저장할 수 있는 정도가 되면 더는 저장용량을 늘릴 수 없게 된다.

또 연산소자 속도가 빨라지면서 연산할 때 발생하는 열을 줄이는 기술도 계속 발전하고 있다. 보통 연산을 하나 하는데 드는 에너지가 상온에서 열에너지와 비슷한 정도가 되면 연산이 제멋대로 되는 오류가 발생한다. 따라서 연산 속도를 이 이상으로 빠르게 할 수 없다. 원래 양자컴퓨터는 이런 고전컴퓨터 열 발생 문제를 해결하려는 대안으로 제시됐다. 이론으로는 양자컴퓨터로 연산했을 시 열 발생이 전혀 없기 때문이다.

이 글을 읽고 내용이 이해가 안 됐다면 제대로 읽은 것이다. 물리학자들도 이해하지 못한다고 처음부터 말하지 않았는가.

이순칠
1986년 미국 노스웨스턴 대학에서 박사학위를 취득하고, 이후 자기공명을 이용한 양자컴퓨터 연구에
주력해왔다. 1987년부터 현재까지 KAIST 물리학과 교수로 재임 중이다.

<이 기사는 테크M 제67호(2018년 11월)에 게재됐습니다.>