나를 꿈꾸게 한 양자컴퓨터 | 채은미 고려대학교 물리학과 부교수 | #꿈 #도전 #성장 | 세바시 1599회
한 2 30년 뒤에 이제 드디어 양자 컴퓨터가 상용화 될 것이다라고 얘기를 합니다.
그런데 정말 그럴까요?
사실 저는 플랫폼 이 시스템의 연구를 하고 있지 않습니다.
완전히 새로운 플랫폼에 도전하고 있습니다.
뭐 이미 양자 컴퓨터 다 만들어진 거 아닌가 이제는 뭐 성능 좀 높이고 어떻게 잘 활용하는지만 집중하면 되는 거 아닌가요?
라고 말씀하시는 분들도 계십니다. 저는 아니라고 생각합니다.
1. 양자컴퓨터란 무엇인가
- 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 다르게 ‘양자 얽힘’ 현상을 최대한 활용하는 컴퓨터.
- 양자 얽힘: 두 개의 입자가 아무리 멀리 있어도 상태가 연결되어 있는 현상(노벨상 수상 실험적 증명).
- 이 현상 덕분에 연산을 혁신적으로 빠르게 할 수 있음.
2. 현재의 발전 상황
- 구글, IBM 등에서 다양한 방식(초전도, 이온, 광자 등)으로 양자컴퓨터를 개발 중.
- 큐비트(양자비트)는 현재 100~2300개 정도까지 구현, 일부 계산에서 양자 이득 입증.
- 금융, 기후예측 등 복잡한 계산에 활용 연구 중.
- 아직은 ‘플랫폼’마다 한계가 많음(확장성, 오류 등).
3. 기존 연구와 새로운 도전
- 연사는 주류의 플랫폼(초전도, 이온 등) 대신 ‘분자’를 이용한 새로운 플랫폼에 도전.
- 분자는 입자 간 상호작용이 크고, 제어가 쉬워서 많은 큐비트를 정확하게 제어할 수 있을 가능성이 있음.
- 주류 플랫폼과 비교해 당장은 성능이 뒤처지지만, 장기적으로 새로운 가능성을 찾아가는 것이 중요하다고 강조.
4. 과학의 발전과 미래
- 과학 기술은 언제나 새로운 가능성의 발견과 도전에서 발전해왔음(진공관→반도체, 1세대 양자혁명→2세대 혁명).
- 현재는 ‘제2의 양자혁명’ 시대이며, 양자컴퓨터가 그 중심.
- 자신의 연구가 반드시 최종 승자가 되진 않더라도, 새로운 시도와 도전의 가치를 믿음.
5. 마무리 메시지
- 눈앞의 성과만 보지 말고, 한계에 안주하지 말고, 새로운 도전을 계속해야 한다고 조언.
- 양자컴퓨터가 사회에 끼칠 영향과, 우리 각자가 할 수 있는 도전을 생각해보자는 메시지.
핵심 한 줄 요약:
양자컴퓨터는 아직도 새로운 플랫폼과 도전이 필요한 분야이며, 과학 발전의 핵심은 끊임없는 가능성 탐구와 한계를 넘어서는 도전정신에 있다.
안녕하세요.
고려대학교 물리학과 최은미입니다.
오늘 좀 긴장되는데요.
여러분들과 제가 연구하고 있는 양자 컴퓨터에 대해서 이야기를 해보겠습니다.
많이 들어보셨죠? 요즘
뉴스에도 종종 나오는데요.
특히 구글이나 IBM 같은 묵직한 그룹들이 요즘 양자 컴퓨터 개발을 하면서 뉴스에도 많이 나오고
그래서 이제 아마 관심 있으신 분들이 좀 많으실 것 같습니다.
특히 또 마침 올해 노벨 물리학상이 이 양자 컴퓨터의 핵심 원리를 실험적으로 증명하신 세 분의 과학자분들께서 수상을 하셨습니다.
그래서 아마 양자 역학에 대한 관심이 제 생각에 요즘 최고조일 것 같아요.
그래서 이제 오늘 양자 컴퓨터에 대한 이야기를 해보려고 하는데요.
사실 양자 컴퓨터라는 개념 자체는 사실 훨씬 더 예전으로 올라가 거슬러 올라가서 1980년대에 처음으로 재창이 되었습니다.
유명한 리처드 파인만 교수님도 초창기 연구자 중 한 분이신데요.
저는 고등학교 때 꽤 옛날이겠죠
고등학교 때 처음 양자 컴퓨터라는 단어를 접했습니다.
당시에 이제 한 청소년용 과학 잡지의 특집 기사였는데요.
그때 저는 물리에 관심이 많던 꿈나무였고,
특히 이제 물리의 꽃이라고도 불리는 양자 역학을 이용해서 컴퓨터를 만든다라는 이야기가 너무 멋있게 느껴졌습니다.
한 가지 재미있는 사실은
그 옛날 제가 고등학생이던 시절에도 양자 컴퓨터가 한 2, 30년 뒤에는 상용화 될 것이다 라고 써 있었어요.
근데 요즘도 여전히 한 2 30년 뒤에 이제 드디어 양자 컴퓨터가 상용화 될 것이다 라고 얘기를 합니다.
그런데 사실 한 가지 큰 차이가 있는데요. 어떤 거냐 하면
예전에는 사실 구체적인 양자 컴퓨터의 밑그림이 전혀 없는 상태였습니다.
그래서 사실 누군가가 나는 양자 컴퓨터를 만들겠습니다라고 얘기를 하면 뭐 호응은 해 주지만, 내심 사실 그게 되겠어? 라고 사람들이 생각을 했는데 최근에는 이미 일정 수준의 양자 컴퓨터가 만들어졌고, 그 성능이 증명되면서 어느 정도 양자 컴퓨터의 밑그림이 상당히 구체화 되었습니다.
특히 이러한 변화는 최근 10여 년 사이에 급격히 나타났는데요.
오늘은 그럼 양자 컴퓨터란 도대체 뭐고, 지금 얼마만큼 발전했으며 어떤 한계가 있고, 어떤 과제들이 남았으며,
특히 그 안에서 제가 어떤 연구를 어떤 목표를 가지고 진행하고 있는지를 한번 풀어보겠습니다.
먼저 양자 컴퓨터가 무엇인지, 그리고 왜 이렇게 떠들썩한지 도대체 뭐가 그렇게 좋은지 에 대해서 이야기를 해보겠습니다.
양자 컴퓨터는 양자 역학 그중에서도 양자 얽힘이라는 현상을 최대한으로 이용한 컴퓨터입니다.
이 양자 얽힘이 이번 노벨 물리학상의 키워드이기도 한데요.
그러면 이제 양자 컴퓨터에 대해서 이야기하기 전에, 먼저 양자 얽힘에 대해서 설명을 드리겠습니다.
조금 쉽게 얘기하기 위해서 두 개의 동전으로 양자 얽힘을 설명해 보겠습니다.
책상에서 두 개의 동전이 빙글빙글 손톱으로 탁 쳐서 빙글빙글 돌고 있는 상황을 생각해 보겠습니다.
그럼 그 상황에서는 동전이 앞면인지 뒷면인지 저희가 얘기를 할 수가 없죠.
저희가 어느 순간 탁 치면 이게 앞면이거나 뒷면이거나 정해지겠죠
그럼 이제 두 개의 동전이 있기 때문에 이제 각각 탁탁 쳐서 앞면 뒷면이 나올 경우의 수는 보시는 화면처럼 네 가지가 있습니다.
그런데 만일 이 동전 두 개가 양자 얽힌 상태에 있다면, 한 동전을 넘어뜨려서 안면이 나오는 순간 다른 동전이 자기 혼자 넘어지면서 얘도 앞면이 나옵니다.
그리고 반대로 한 동전이 뒷면이 나오면 다른 동전도 바로 뒷면이 나오는 거죠. 신기하죠?
이 현상은 이 두 개의 동전의 거리가 아무리 멀리 떨어져 있어도 적용이 되는데요.
즉 한쪽 동전의 상태를 알면 그 즉시 저 멀리 있는 다른 동전의 상태도 알 수 있는 겁니다.
사실 얼핏 들으면 말도 안 되는 이야기 같은데, 실제로 이 현상이 실험으로 입증이 되었고 그 일이 로벨 물리학상을 수상한 일입니다.
그리고 이 양자 얽힘이야말로 양자 컴퓨터의 핵심입니다.
그러면 양자 컴퓨터에서 어떻게 이 양자 얽힘이 활약하는지 간단한 예를 들어보겠습니다.
요즘 사용하고 있는 컴퓨터에 대해서 먼저 얘기를 하겠습니다.
저희가 현재 사용하고 있는 컴퓨터를 물리에서는 고전 컴퓨터라고 부르는데요.
이 고전 컴퓨터에서 연산의 기본이 되는 단위는 비트입니다. 많이 들어보셨죠?
이 비트는 0 혹은 1의 값을 갖는데요 저희가 이제 12개의 비트를 가진 시스템을 생각해 보겠습니다.
이 12개의 비트가 처음에는 모두 0이라고 생각을 해 보겠습니다.
그럼 이 0을 가진 비트를 모두 1의 값으로 변환을 하고 싶으면 어떻게 해야 될까요?
이 비트들이 비트를 하나씩 바꿔줘야겠죠
즉 하나의 비트를 바꾸는 데 한 번의 연산이 필요하기 때문에 이 경우에는 모두 12번의 연산이 필요하게 됩니다.
양자 컴퓨터에선 어떨까요?
이 양자 컴퓨터에서도 비트에 대응되는 개념이 있는데 이것을 양자 비트 혹은 영어로 퀀텀 비트 큐비트라고 부릅니다.
이 q비트도 고전 비트처럼 0과 1의 상태가 존재하고 0이면서 동시에 1인 아까 약간 들었죠
그런 상태도 존재하지만 그건 오늘은 좀 재껴두고
0과 1의 상태가 있는데 앞서 말한 예처럼 12개의 큐비트가 있다고 생각을 해 보겠습니다.
그리고 이 모두는 지금 현재 0 상태에 있고 근데 여기에 더해서 서로 얽혀 있다고 생각을 해보겠습니다.
이 12개의 큐비트가 서로 얽혀 있기 때문에 이번에는 이 12개의 큐비트의 값을 모두 1로 바꾸려면 단 한 번의 연산으로 충분합니다.
사실 실제 양자 컴퓨터에서는 조금 더 복잡한 여러 가지 개념들이 들어가지만 기본적인 원리는 이렇습니다.
그렇기 때문에 양자 컴퓨팅에서는 이 양자 얽힘을 얼마나 효율적으로 사용하느냐가 핵심이고,
양자 얽힘 현상을 이용해서 연산의 횟수를 획기적으로 줄이고, 고정 컴퓨터로는 불가능하거나 아니면 엄청 무한한 시간이 걸리는 연산을 수행할 수 있습니다.
그래서 이렇게 이 모든 양자 컴퓨터 혹은 양자 기술의 성공은 사실 양자 얽힘 상태를 얼마나 잘 만들고 잘 이용하는지에 달렸습니다.
이제 양자 컴퓨터가 그러면 지금 어디까지 와 있을까요?
현재 양자 컴퓨터는 구글이나 IBM 같은 거대 글로벌 기업이 사용하고 있는 초전도 큐비트 시스템을 비롯해서 이온, 중성 원자, 광자 등 다양한 시스템에서 양자 컴퓨터들이 만들어지고 있습니다.
이 시스템 모두 최대 한 100개 내외 아니면 많으면 2300개의 큐비트를 가지고 있고 특정 계산에서 양자 이득을 보기도 했습니다.
그리고 아직 시험 단계이지만 금융이나 기후 예측처럼 많은 변수를 가진 복잡한 계산에 쓰기 위한 연구도 진행이 되고 있습니다.
이제 정말 양자 컴퓨터가 실생활에 도움을 주기 시작하는 거죠
그러면 이제 여러분들 궁금하실 것 같습니다. 제가 이 중에서 어떤 연구를 하고 있는가?
사실 저는 이 플랫폼, 이 시스템의 연구를 하고 있지 않습니다.
저는 여기서 보여드린 이제 어느 정도 실험과 연구가 진행되고 있는 시스템이 아닌 완전히 새로운 플랫폼에 도전하고 있습니다.
요즘 발표되는 양자 컴퓨터 관련 기사나 논문을 접하신 분들 중에서는 이미 양자 컴퓨터 다 만들어진 거 아닌가? 이제는 성능 좀 높이고 어떻게 잘 활용하는지만 집중하면 되는 거 아닌가요? 라고 말씀하시는 분들도 계십니다. 그런데 정말 그럴까요?
저는 아니라고 생각합니다.
지금 실험이 진행되고 있는 이 양자 컴퓨터들이 최종 모습으로 굳어질까요? 아닐 수도 있습니다.
일례로 최초의 컴퓨터가 어떤 형식이었는지 아마 아시는 분들도 계실 텐데요.
컴퓨터는 초창기에 반도체가 아닌 진공관을 이용해서 만들어졌습니다.
사실 지금과는 많이 다른 모습입니다.
저는 현재 양자 컴퓨터도 바로 이 진공관 컴퓨터와 같다고 생각하고, 지금 플랫폼보다 더 좋은 플랫폼을 개발하기 위해서 연구를 진행하고 있습니다. 사실 양자 컴퓨터가 풀어야 하는 과제는 아직도 산더미처럼 많습니다.
양자 컴퓨터의 성능을 평가하는 요소에는 크게 두 가지가 있는데요.
먼저 확장성 즉 얼마나 많은 큐비트를 모을 수 있는지 와
그리고 제어능력 이 많은 큐비트를 얼마나 정확하게 오류 없이 연산을 수행할 수 있는지가 있습니다.
현재 개발되고 있는 이 대표적인 플랫폼들은 약간씩은 다르지만 모두 비슷비슷한 성능을 가지고 있습니다.
100개에서 수백 개 정도의 큐비트를 가지고 있고 한 수십 번 적으면 서너 번 많으면 수십 번 정도 연산을 하면 이제 에러가 너무 많아서 더 이상 연산을 수행할 수 없는 그 정도의 정확성을 가지고 있습니다.
물론 이 정도의 성능을 가지고도 상당히 재미있고 신기한 일을 많이 하고는 있지만 뚜렷한 한계가 존재하죠.
그래서 저는 확장성과 정확성 이 두 가지 요구를 모두 충족하는 새로운 시스템을 개발하고 있습니다.
제가 주목하고 있는 시스템은 작은 분자들을 가지고 만들려고 하고 있습니다.
제가 이 분자에 주목한 이유는 분자들이 서로 미치는 힘, 상호작용이죠. 이 상호 작용이 크기 때문입니다.
앞에서 말씀드린 양자 얽힘 상태를 만들기 위해서는 이 입자들 사이의 상호작용이 필요합니다.
분자는 상호작용이 다른 시스템보다 크고 또한 쉽게 제어할 수 있습니다.
상호작용을 제 마음대로 껐다 켰다 할 수 있고 또 이 상호작용이 당기게 할 수도 있고 밀게 할 수도 있습니다.
이런 다양한 자유도를 이용해서 수많은 분자 큐비트를 모으고, 또 이들을 정확하게 제어할 수 있는 양자 컴퓨터를 만드는 게 이제 제 꿈입니다.
물론 이미 뚜렷한 성과를 내고 있는 주류에서 벗어나서 새로운 시스템을 만드는 과정은 사실 쉽지는 않습니다.
당장 현재 성능을 그대로 비교하면 당연히 아직 떨어지죠 (성능이)
그래서 이렇게 제 연구를 발표할 때 그래서 큐비트가 몇 개입니까? 뭐 이런 질문이 사실 가장 맥 떨어집니다.
제가 만드는 시스템이 그러면 양자 컴퓨터에서 가장 최종 승자가 될까요? 라는 질문도 사실 모르죠.
지금 당장은 답을 알 수가 없습니다.
하지만 분명한건
현재의 시스템들이 명확한 한계를 보이고 있는 한, 우리는 눈앞에 성과만 주목하지 말고, 계속 새로운 가능성을 찾아가야 한다는 것입니다.
그 과정에서 기존 시스템과의 시너지 효과를 얻을 수도 있고, 또 새로운 사실을 알아내는 히열도 느낄 수 있겠죠.
과학 기술은 언제나 이렇게 발전을 해 온 게 아닐까 싶습니다.
사실 양자 역학 자체도 1920년대에는 하나의 가설에 불과했습니다.
그러다가 1960년쯤에 양자 역학이 실제로 증명이 되고, 첫 번째 양자 혁명이 일어났습니다.
이때 우리 생활에 큰 변화를 가져온 레이저, GPs, 반도체 등 굵직굵직한 기술들이 개발되었고 현재 아주 널리 쓰이고 있죠.
이론의 탄생에서부터 지금까지 100여 년 그리고 양자 역학의 실증으로부터 한 50여 년 이렇게 짧은 시간 동안 이렇게 학문뿐만이 아니라 실제 산업에서도 큰 영향을 끼친 학문은 사실 손에 꼽지 않을까요?
그리고 지금 바로 제2의 양자 혁명이 진행되고 있습니다.
그 핵심에 양자 컴퓨터가 있고요.
제가 어린 시절부터 꿈꾸던 양자 컴퓨터를 제 손으로 어쩌면 실현시킬 수 있는 순간이 정말 다가오고 있는 겁니다.
물론 제가 만들고 있는 양자 컴퓨터가 최후의 승자가 된다는 보장은 없지만, 사실 양자 역학 자체가 확률이잖아요.
그래서 저는 그 확률을 높이기 위해서 최선을 다할 뿐입니다.
그래서 오늘 강연이 앞으로 양자 컴퓨터가 우리 사회에 어떤 영향을 끼치고, 그 안에서 우리는 어떤 역할을 해야 되고, 어떤 도전을 할 수 있는지를 생각해 보는 계기가 되었으면 합니다.
네 감사합니다.
