- 그러면 이제 컴퓨터는 더 이상 발전할 수가 없는 걸까요?
- 현재 가지고 있는 반도체 칩이 사람들이 만들 수 있는 가장 좋은 칩일까요?
- 하지만 이렇게 작은 소재를 만들었다고 해도 결국 이 반도체들은 주판이나 기계식 계산기처럼 0과 1 이런 고전적인 정보를 이용해서...
안녕하세요.
성균관대학교 나노과학기술학과의 김준기입니다.
1952년 슈레딩거의 고양이로 유명한 어윈 슈레딩거라는 유명한 양자 물리학자가 있는데요.
이분이 이런 말씀을 하십니다.
"한 개의 원자나 전자 또는 분자를 가지고 실험을 하는 것은 불가능합니다. 가끔 상상 속에서는 우리는 그런 실험을 하지만요."
그리고 현재 2024년 저희는 지금 실험실에서
다음과 같이 원자 하나의 사진을 찍고
또 그것으로 여러 가지 양자역학 실험을 하고 있습니다.
또 그리고 원자를 이렇게 여러 개를 모아놓고 나서 양자 컴퓨터라는 것을 만들고도 있습니다.
슈레딩거의 시간으로부터 약 70년의 시간이 지났는데요.
그 시간 동안 어떠한 기술 발전이 있었을까요?
또 앞으로 양자 기술은 어느 방향으로 갈까요?
저는 오늘 양자 컴퓨터를 주제로 현재까지의 양자 기술과 그리고 앞으로의 양자 기술에 대해서 이야기를 해볼까 합니다.
양자 컴퓨터라는 단어 이제 Quantum Computer라는 단어를 보시면 이제 두 가지의 단어로 이루어져 있습니다.
양자 역학의 Quantum 그리고 여러분들께서 잘 아시는 컴퓨터라는 단어로 만들어진 단어입니다.
우선 양자는 좀 어려워 보이니까 여러분이 아주 익숙하실 컴퓨터에 대한 이야기로 한번 시작을 해보겠습니다.
컴퓨터에 들어가는 가장 중요한 소재가 과연 무엇일까요?
많은 분들이 아시다시피 반도체 소자일 것입니다.
컴퓨터는 CPU와 GPU와 같은 반도체 소재를 이용해서 정보를 저장하고 연산하는 작업을 하죠.
사실 최초의 컴퓨터는 반도체 소재를 사용하진 않았어요.
진공관(眞空管)이라고 하는 이런 전구 비슷한 그런 장비를 통해서 이제 컴퓨터를 만들었습니다.
1945년에 이 애니악이라는 컴퓨터를 만들었는데요. 최초의 범용 컴퓨터로 알려져 있고요.
여기에 들어가 있는 진공관의 개수는 무려 1만 8천 개입니다. 무게로 따지자면 약 27톤이고요.
크기는 30m 정도 돼서 방 하나를 가득 채웠습니다.
사실 생각만 해도 어마어마한 크기인데 그럼 성능이라도 좋아야 되는데, 사실 지금 여러분들께서 가지고 계신 스마트폰이 이 애니아 대비 한 천만 배 정도 성능이 이미 좋습니다.
최초의 반도체 소자는 어떨까요?
보시는 왼쪽에 있는 사진이 최초의 트랜지스터 최초의 반도체 소자입니다. 1947년에 만들어졌고요.
보시는 것처럼 상당히 투박하게 생겼습니다. 이런 걸로 컴퓨터를 만든다면 상상이 되실까요?
지금의 컴퓨터를 보시면 잘 상상이 안 되시겠지만 이렇게 시작한 반도체 소자가 점점 소형화가 되고 발전되면서
이렇게 오른쪽에 있는 반도체 칩을 만들고요. 그걸 이용해서 여러분이 지금 사용하시는 컴퓨터 소자가 되었습니다.
반도체 기술은 인류가 현재까지 개발한 기술 중에 가장 성공적인 기술로 알려져 있습니다.
잘 알려져 있는 것이 이제 무어의 법칙이라는 것이 있는데요.
반도체 칩 안에 들어가는 집적도 칩 하나에 들어간 트랜지스터의 개수가 2년에 한 번씩 2배가 된다는 그런 일종의 경향성입니다. 이러한 경향성이 무려 얼마나 지속이 되었냐면 50년 동안 지속이 되었고요.
2년마다 2배가 20년이 지속되면 천배고요. 40년이면 100만 배입니다.
조금 더 이해를 쉽게 하기 위해서 이거를 은행 복리로 한번 생각을 해볼게요.
생각을 해보시면 사회초년생이 처음 취업하면서 천 원을 저금을 했는데 은퇴할 때쯤 되면 그게 10억 원이 돼 있는 겁니다.
그런 어마어마한 기술 발전이 지난 50년 동안 이루어졌고,
맨 처음에 보셨던 그 투박한 트랜지스터가 지금은 전자현미경으로나 볼 수 있는 아주 작은 크기까지 소형화가 된 거죠.
그런데요. 한편으로는 1947년의 트랜지스터나 지금 최신 기술로 만든 반도체 칩에 있는 트랜지스터나 근본적으로는 사실 동일합니다. 크기는 엄청나게 작아졌지만 같은 작동 원리를 가지고 있고요.
그리고 결정적으로는 둘 다 똑같이 0과 1의 디지털 정보를 저장할 수 있는 그런 소재이기 때문입니다.
이것은 1945년에 만들어졌던 애니악도 마찬가지고요.
더 나아가서는 기계식 계산기 그전에 있었던 주판까지도 같은 종류의 연산 기계라고 저희는 말을 할 수 있습니다.
그 오래된 역사에서 컴퓨터를 만드는 기술 개발의 가장 핵심은 소형화였던 겁니다.
그러면 우리는 얼마나 반도체를 앞으로 작게 만들 수 있을까요?
여러분들이 최신 반도체 관련 뉴스를 보셨을 때 5 나노, 3 나노 그런 공정 관련된 뉴스를 아마 들어보셨을 수도 있을 것 같아요. 물질을 이루는 가장 작은 단위인 원자는 크기가 0.1 나노미터 정도입니다.
즉 이미 첨단 반도체 칩에는 전선의 두께가 원자 수십 개에서 수백 개 정도의 두께를 가지고 있습니다.
이미 어마어마하게 기술이 극한인데요.
근데 사실 원자의 크기를 생각을 하면 공간이 아주 많이 남아 있지는 않습니다.
많은 사람들이 방금 말씀드린 반도체 기술의 지속적인 성장, 즉 무어의 법칙에 대해서 슬슬 종말이 오지 않았나라고 이야기를 하고 있고요.
이것은 처음 그 법칙을 제안한 고든 무어도 비슷한 이야기를 하고 있습니다.
그러면 이제 컴퓨터는 더 이상 발전할 수가 없는 걸까요?
현재 가지고 있는 반도체 칩이 사람들이 만들 수 있는 혹은 또 이 세상에 존재할 수 있는 가장 좋은 집일까요?
저는 이 질문에 해답이 될 수 있는 게 바로 양자가 아닐까라고 생각합니다.
방금 말씀드린 1900년대 중반부터의 반도체 기술 개발은 사실 양자 역학이 없었으면 불가능했습니다.
물리학에서 양자역학은 1900년대 초반에 그 이론적인 토대가 생겼고요.
사실 방금 말씀드린 1900년대 중반부터의 반도체 기술 개발은 양자역학의 발견이 없었으면 불가능했습니다.
양자역학의 기본적인 토대가 됐던 이론은 1900년대 초반에 생겼고요.
그거를 이용해서 반도체의 기본 원리, 전자들이 어떻게 움직이는지 규명해서 반도체를 만들 수 있었고,
또 반도체를 제작하는 데 사용되는 레이저라든지 반도체를 들여다보는 전자현미경 같은 것도 모두 양자 역학을 기본 배경으로 합니다.
특히 점점 사이즈가 작아질수록 원자가 수십 개, 수백 개 되는 아주 작은 크기의 공정을 하기 위해서는
이 양자 역학을 고려해야지만 좋은 소자를 만들 수가 있는 거죠.
하지만 이렇게 작은 소자를 만들었다고 해도
결국 이 반도체들은 아직까지도 주판이나 기계식 계산기처럼 0과 1 이런 고전적인 정보를 이용해서 처리를 하고 이제 정보를 연산을 하는 그런 장치가 되겠습니다.
사실 우리가 이런 정보 처리 자체에 양자 역학을 활용을 한다면 0과 1보다 훨씬 더 많은 정보를 담을 수가 있어요.
그러기 위해서는 양자역학의 핵심인 중첩 그리고 얽힘을 자유자재로 생성하고 활용할 수가 있어야 합니다.
이쯤 되면 그래서 양자가 뭐이고 그리고 중첩과 얽힘이 무엇인가?에 대해서 의문을 가지시는 분들이 사실 많을 거예요.
많은 물리학자분들 그리고 과학자분들이 비전공자분들께 이 양자 역학 중첩과 얽힘에 대해서 개념을 설명하려고 시도를 하셨었는데 또 많이 실패하셨어요.
다들 설명을 열심히 들으시고 고개를 끄덕끄덕하시는데 제가 눈을 마주 본 눈빛이 참 맑으세요.
그리고 조금 이따가 저 이제 알겠어요 하시는데 보통은 잘 모르십니다.
사실 여러분들이 컴퓨터를 쓰면서 반도체를 이해하실 필요는 없잖아요.
그런데 굳이 제가 양자 컴퓨터 이야기를 하면은 양자 역학을 꼭 이해를 해야 된다고 생각을 하시는 분들이 많으십니다.
모든 분들이 양자의 중첩과 얽힘을 다 이해하실 필요는 없어요.
이런 자연의 원리가 있고 그리고 양자 컴퓨터는 이 배 법칙을 이용해서 더 많은 정보를 저장하고 처리한다고 이해를 하셔도 그걸로 괜찮고 충분합니다.
맨 처음으로 다시 돌아가서 저희 연구실에서 찍은 원자 사진을 다시 한번 볼게요.
여기에 있는 노란색 점 하나하나가 원자들이고요.
그리고 이제 원자에서 전자를 하나 제거한 양이온 입자입니다.
양이온 입자들을 레이저와 전기장을 이용해서 진공 안에 잡아둔 모습이고요.
그리고 입자들끼리 전하(電荷)가 있어서 조금씩 밀쳐내는 힘들 때문에 조금씩 떨어져 있는 것을 보실 수가 있습니다.
이렇게 원자를 하나씩 잡아두는 기술 자체는 사실 1970년대에 처음 구현되었습니다.
그 당시에는 물리학자들이 주로 원자의 구조를 공부하거나 원자시계를 만드는 용도로 연구가 되었고요.
그 뒤에 점점 기술이 발전되어 가면서 1990년대 드디어 중첩과 얽힘을 만드는 기술이 개발되었습니다.
이 기술을 개발하신 데이비드 와일랜드 교수님은 2012년에 개별 양자 상태를 제어하고 측정하는 실험적인 방법을 개발한 업적으로 노벨물리학상도 공동 수상하셨습니다.
즉 다시 말하자면 이 기술이 처음 나왔던 1990년대, 그리고 이제 노벨물리학상을 받으신 이제 2천 년대 초반 그 이전에는 인류에게 양자 중첩과 얽힘을 직접적으로 제어하는 기술이 없었던 거고요.
이러한 기술의 발전, 그리고 당시에 양자 컴퓨터에 대한 이론적인 제안이 맞물려서 이런 원자로 양자 컴퓨터를 만드는 연구가 활발하게 진행이 되었습니다.
여러분들이 이제 원자로 컴퓨터를 만든다고 이야기를 들으시면 의아하시는 분들 계실 것 같아요.
하지만 말씀드렸던 반도체의 발전 흐름을 보시면 우리가 점점 사이즈가 작아져서 소형화가 되었고 더 많은 정보를 이제 압축적으로 담기 위해서는 갈 때까지 갔기 때문에
정말 아주 아주 작은 것으로 갔기 때문에 이제 새로운 개념이 필요하게 되는 것입니다.
그 방법 중 하나가 양자 역학인 거죠.
반도체 소재가 컴퓨터의 기본 단위인 비트(bit)로 작동을 하듯이
잘 제어된 원자들은 양자 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트(Qubit)로 기능할 수 있습니다.
현재까지의 반도체 기술이 큰 트랜지스터에 시작해서 점점 더 작은 소자를 만드는 일이었다면
이제는 이런 원작 큐비티들을 하나하나 더 해서 더 큰 양자 컴퓨터 시스템을 만드는 방향으로 가고 있는 겁니다.
양자 컴퓨터는 큐비트를 하나씩 더할 때마다 표현할 수 있는 정보의 양이 2배씩 늘어나는 놀라운 특성이 있습니다.
그렇기 때문에 연산 자원 즉 큐비트 수요에 대비해서 지수함수적으로 연산 능력이 상승하는 그런 유일한 컴퓨팅 기술입니다.
다만 이런 양자 컴퓨터를 만들 때 이 큐비트가 노이즈에 굉장히 취약하기 때문에 큐비트를 더하면서도 노이즈가 연산을 방해하지 않도록 하는 것이 굉장히 핵심적인 기술이 되겠고요.
신뢰도가 높은 연산 큐비트를 많이 만들고 작동하게 하면서 양자 컴퓨터의 성능을 올리고자 하는 것이 현재 양자 컴퓨터를 개발하는 사람들의 큰 목표가 되겠습니다.
그래서 최근 연구 동향은 많은 양자 컴퓨터 연구들이 물리학 분야에서 공학으로 확장되고 있는 상황입니다.
지난 100년간 꾸준히 연구된 원자에 대한 물리학적 이해를 바탕으로 이제는 큐비트의 수를 늘리고, 신뢰도를 높이고, 노이즈를 줄이는 여러 가지 공학적인 기술이 필요로 해지는 거죠.
저도 박사 때까지 전공은 원자 물리학을 공부를 했는데요. 지금은 공과대학에서 연구를 하고 있습니다.
그러다 보니 저희 연구실에는 물리학뿐만 아니라 컴퓨터 공학, 신소재공학 등 다양한 전공 배경을 가지고 있는 대학원생들이 있고 또 그중에는 전혀 양자역학을 입학 전에 배우지 않았던 그런 학생들도 있습니다.
'어떻게 양자 역학도 모르면서 양자 컴퓨터를 연구해?'라고 생각할 수 있을 것 같아요.
근데 그게 됩니다.
여기 보시는 게 이온 포획 장치의 실제 사진인데요.
보시면 아까 보신 애니악하고 크게 다르지 않아요.
엄청 크고 뭔가 금속도 많아 보이고요. 굉장히 복잡합니다.
저희 양자 컴퓨터 시스템은 레이저 그리고 전자장비 여러 가지 광학계와 그리고 또 많은 소프트웨어 프로그래밍을 요구합니다.
그래서 한 명이 모든 걸 다 만드는 게 아니라 여러 사람이 공동으로 제작을 하고 있고 각 부분 부분을 협업을 잘해야 좋은 성과를 낼 수 있습니다.
이 협업이라는 거는 단순히 그냥 있는 기술들을 다 모으는 게 아니라 기술의 첨단, 첨단, 첨단들을 다 모아야지만 좋은 양자 컴퓨터를 만들 수 있는 거고요.
그래서 아까 말씀드린 양자역학 안 배웠던 친구요. 아주 잘하고 있습니다.
얼마 전에 저희 연구실에서 큐비트 제어의 오류를 1만 분의 1까지 낮추는 연구를 했는데요.
이 친구가 이 큐비트를 측정하는 코드를 전부 짜고 그리고 큐비티를 직접 포획을 하고 그리고 큐비티를 제어하는 기술까지 시연을 해서 저희 연구실에서 나름대로 국내에서는 가장 좋은 단일 연산 정확도를 구현을 한 바가 있습니다.
이거를 양자 역학을 배우지 않았던 친구도 할 수 있다는 거죠.
그래서 저는 이 양자 역학이 그리고 양자 컴퓨터 기술이 굳이 양자 역학을 공부한 사람들뿐만 아니라 많은 분들에게 기회가 될 수 있다고 생각합니다.
현재 양자 기술은 세계적으로도 전공자뿐만 아니라 관련 전공을 익혔으면서 동시에 양자 기술과의 연관성을 이해하는
퀀텀 어웨어 이 양자 인지공학자들의 인력이 매우 중요해질 것으로 생각이 되고 있습니다.
필요한 인력 수도 양자 컴퓨팅 전문가만큼이나 혹은 그 이상으로 많을 것으로 생각이 되고요.
그리고 그 사람들이 정말 열심히 이 분야에 참여를 해주셔야지 이 양자 기술이 더 빠르게 발전을 할 수 있을 것이라고 믿고 있는 거죠.
저희 성균관대학교에서도 이제 대학원 전공이 아닌 학부 수준에서 양자 기술을 교육하면서 이러한 인력을 키워내려고 노력을 하고 있고요.
그래서 2025년도부터는 저희 학교에서 양자정보공학을 신설을 할 계획이고요.
앞으로도 다양한 교육 프로그램을 진행할 계획이 있습니다.
그래서 마지막으로 저는 10년 이상 그래서 이 원자를 가지고 연구를 해왔습니다.
실험실에서 사실 사람들이 평소에 볼 수 없는 원자를 매번 눈으로 볼 수 있고 그리고 양자 현상을 눈으로 볼 수 있다는 것이 참 즐겁고 놀라운 경험입니다.
그리고 앞으로 저희가 이제 새로 만들려고 하는 양자 컴퓨터, 원자를 하나하나 쌓아서 만든 컴퓨터는 어떻게 보면 인류가 여태껏 만들었던 모든 연산 기계보다 복잡한 연산을 할 수 있는 그런 작은 우주이고 새로운 지평이에요.
그래서 저는 양자 컴퓨터가 과연 만들어질 수 있을까?만큼이나 우리가 과연 어디까지 갈 수 있을까요?
그리고 또 그 너머에 무엇이 있을지를 생각하는 것이 제가 이 연구를 하는 원동력이고 즐거움이 되겠습니다.
경청해 주셔서 감사합니다.
