세바시 1603회 | 양자역학으로 보는 세상 | 정연욱 양자정보연구지원센터장, 성균관대 나노공학과 교수

양자역학으로 보는 세상 | 정연욱 양자정보연구지원센터장, 성균관대 나노공학과 교수 | #과학 #미래 #도전 | 세바시 1603회

 

 

양자역학으로 보는 세상

 

 

양자 컴퓨터 우리 삶을 이제 어떻게 바꿀까요?

가볍고 싸고 집집마다 사람들이 한 대씩 양자 컴퓨터를 두거나 손목에 차고 다니는

양자 컴퓨터 나오면 지금 컴퓨터 다 양자 컴퓨터로 대체하나요?

우리 뭐 과학자도 아니고 연구자도 아니고 심지어 이제 저는 문과인데요.

네 양자역학까지 알아야 됩니까?

 

 

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핵심 내용

• 양자컴퓨터란?
  • 지금까지의 컴퓨터와는 다르게, 기존 컴퓨터로는 아예 불가능하거나 
    엄청나게 오래 걸리던 문제를 빠르게 풀 수 있는 ‘특수한 컴퓨터’
  • 기존 컴퓨터(디지털)와 양자컴퓨터는 완전히 대체 관계가 아님.
    양자컴퓨터는 우리가 쓰는 대부분의 일상적 계산을 하지 않고,
    ‘정말 어려운 문제’만 특화해서 도와주는 특급 구원투수 같은 존재
• 양자역학 어렵다?
  • 사실 양자역학은 생소해서 어려울 뿐, 일상에서 자연스럽게 접하게 되면 익숙해질 것
  • 인공위성, AI, 카메라 등도 처음엔 어려웠지만 자주 쓰다보니 친숙해진 것처럼,
    앞으로 ‘양자’ 개념도 생활 속에 자연스럽게 스며들 것
• 양자기술의 발전 속도
  • 여러 분야(수학, 물리, 공학, 컴퓨터 등) 최고 기술이 ‘융합’되어 빠르게 발전 중
  • 실제로 연구용 양자컴퓨터는 이미 있고, 대기업·연구기관들이 실험/연구에 활용 중
  • 하지만 아직 일상에서 직접 체감할 수 있는 단계는 아님
• 기술혁명의 오해와 실제
  • “양자컴퓨터가 나오면 지금 컴퓨터는 다 사라진다?” → 아님!
    양자컴퓨터는 인터넷처럼 ‘어딘가에’ 있고, 일반 사용자는 원격으로 필요할 때만 활용
  • ‘내 손목에 찰 양자컴퓨터’ 같은 시대는 오랜 시간 지나야 가능
• 양자통신과 암호
  • 양자통신은 도청을 막는 기술, 양자컴퓨터는 특정 암호(공인인증서 등) 해독 가능
  • 흔히 ‘창과 방패’로 비유하는데, 실제로는 각각 특정 역할에 특화된 기술임
• 사회적·인식적 변화
  • 양자정보과학이 일상에 스며들면 사람들의 사고방식·언어도 더 확장되고 유연해질 것
  • 언젠가 일상 언어에서 “그건 중첩상태네” 같은 양자물리 용어가 자연스럽게 쓰일 수도 있음
• 결론/미래 전망
  • 양자기술은 ‘곧바로’ 우리 삶을 뒤흔들진 않지만 물밑에서 삶을 더 윤택하게 만들어 줄 것
  • 빠른 변화에 조급해하지 말고, 변화의 흐름을 지켜보며 차근차근 적응하길 권장

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한 줄 요약:
양자컴퓨터는 일상을 갑자기 바꾸는 ‘혁명’이라기보다,
보이지 않는 곳에서 새로운 가능성과 변화를 만들어낼 ‘보조자’이자
우리 사고와 사회를 넓혀주는 계기가 될 기술이다.

 

 

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정연욱

양자역학으로 보는 세상

 

 

 

안녕하세요.

저는 성균관대학교에서 이제 학생들하고 같이 양자 컴퓨터 하드웨어를 열심히 만들고 있는 정연욱이라고 합니다.

 

제가 양자 컴퓨터를 만들고 있다고 하면 흔히 받는 질문들이 몇 가지 있습니다.

그중에 대표적인 게 양자 역학 우리가 굳이 그것까지 알아야 합니까? 뭐 이런 거예요.

아마 최근에 여기저기서 양자 기술 양자 정보 과학

혹은 뭐 양자 컴퓨터 이런 말들을 이 강연장이 아니라도 들어본 데가 여러 군데 있으실 겁니다.

그래서 많이 언급되고 있을 거니까요.

그런데 정작 그런 말을 들으면 어 뭔가 슈퍼컴퓨터 같이 엄청난 게 생기는 것 같은데

그러면은 양자 컴퓨터니까

 

 

그 안에 이제 여러분들 들어봤던 슈레딩거 고양이 같은 게 그렇게 살았다 죽었다 하는 그런 기계가 있어서

우리 컴퓨터를 막 이렇게 대체하는 그런 게 생겨서

우리 일상 생활에 그런 것들이 막 다가오는 건가?

그런 게 쉽잖아요. 그럼 양자 카 이 되게 어려운 것 같은데

 

이제 그런 것까지 알아야 되는 세상이 됐구나. 양자학 어렵습니다. 어려워요. 그랬더니 모두 그러는데 어렵습니다.

어려운데요. 그게 어렵다고 하기보다는 낯설다는 표현이 더 맞을 수 있어요.

우리가 예를 들어서 익숙하다고 생각하는 많은 과학 기술들 예를 들어서 인공위성 아니면 우리 요새 많이 말하는 인공지능 아니면 여기 많이 보시는 여기 카메라 이런 것들도 들여다보면 굉장히 어려운 고도의 기술이에요.

그런데 하지만 그런 말을 들었을 때 굉장히 친숙하고 왠지 아는 것 같고 그렇잖아요.

자주 접해서 그렇습니다.

우리의 일상 생활에서 경험이 쌓이기 때문에 그렇습니다.

우리의 기존 경험이나 우리가 지금 사용하고 있는 언어는 양자 역학을 쉽게 설명할 수 있는 그런 거를 갖추고 있지 못해요.

 

그런데 양자 역학을 이용한 기계들 양자 컴퓨터 같은 게 우리 일상에서 매일매일 접하게 되는 순간

어느 순간 익숙해질 것이고요.

우리의 언어 안으로 그것이 들어올 것이고

그것이 우리에게 굉장히 친숙해지면 양자 역학 너무 어려워요. 이런 말이 좀 줄어들지 않을까 그런 기대를 하는 겁니다.

 

 

 

양자 기술 이렇게 얘기하면 기술 혁명이라고 얘기해요.

왜 혁명이라고 얘기할까요?

굉장히 강한 의미를 가진 단어인데

예를 들어서 양자 컴퓨터라는 게 나오면 지금 컴퓨터에서 여러분들이 하고 있는 프로그램들 게임들

양자 컴퓨터를 옮겨서 갔더니 지금보다 엄청나게 빨리 되더라 그런 게 절대 아닙니다.

양자 컴퓨터는 지금 컴퓨터에서 아예 못하던 아예 할 수 없던 일을 새로운 일을 해주는 것이고요.

예를 들어서 여러분들 양자 컴퓨터는 지금 컴퓨터보다 100만 배 100만 배 빠르다. 뭐 이런 말들 들어보신 적 있을 거예요.

지금까지는 양자 컴퓨터는 아예 못하거나 하려고 하면 1천만 년씩 걸리는 그런 문제가 있더라도 양자 컴퓨터는 그런 것도 할 수 있는 머신이다. 생각해 보면 똑같은 얘기 같은데 약간 의미가 다르죠.

그런 양자 컴퓨터를 제가 만들고 있습니다.

 

 

 

저는 88 세대에요. 88 올림픽 세대고요. 그 여러분들 그 드라마 응답하라 1988 나오는 딱 그런 골목에서 살던 사람이고요.

 

 

덕선이보다 2살 많습니다. 제가

 

 

 

여러분들 올해 노벨상이 양자 얽히면서 받았던 것처럼 제가 딱 대학 들어가는 해에 고운 초동체라는 게 노벨상을 받습니다.

 

노벨 물리학상 받은 초전도체

 

그리고 대학을 들어가고 당연히 거기에 대한 관심이 굉장히 커져 있었고

저는 초전도라는 것을 공부하는 학생으로서 시작을 해서 지금까지 와 있는 거고요.

그 초전도라는 걸 연구하는 사람 중에서도 저는 그 초전도체를 가지고 반도체처럼 이렇게 조그마한 소자 칩이라고 말하는 거 그런 칩을 만드는 사람이에요.

제가 잠깐 카메라에서 벗어나겠습니다만 잘 보이실지 모르겠는데 이런 걸 만드는 사람이에요.

이게 실제로 여러분들이 지금 여기서 보이는 양자 상태를 쥐락펴락할 수 있는 양자 칩입니다.

이런 거를 이제 맨날 맨날 이렇게 방진복이라고 클리는 옷 뒤집어 쓰고 들어가서 하루 종일 뭔가 뚝딱뚝딱 만들면 이런 게 나오는 그런 일을 하는 사람이에요.

 

초전도체라는 거는 전기가 아주 잘 통하는 그런 성질을 가진 재료입니다.

그런데 그거를 가지고 이제 무슨 소자나 칩을 만들면 양자 역학적 현상이 바로 나와요.

 

양자소자(Quantum Device)

 

그래서 그런 소자들을 우리가 양자 소자 퀀텀 디바이스 뭐 이렇게 부릅니다.

이게 얼마나 재미있는 일이냐 하면은 앞에 강의에서도 들으셨지만 양자 역학이라는 거는 처음부터 아주 작은 원자에서 일어나는 일들을 전자에서 일어나는 일들을 설명하려고 만들어진 거예요.

 

 

그런 데서 양자 역학이 일어나는 건 신기하기도 하지만 지금 이거는 제가 아까 보여드렸지만 이만한 칩에서 양자 역학이 막 일어나고 그걸 자유자재로 우리가 다뤄서 컴퓨터를 만들고 그런 시절이 온 거란 말입니다.

제가 학생일 때는 저런 소재 만들면서 어 굉장히 신기하구나

칩을 만들었더니 양자역학적인 동작을 막 해요.

신기하구나 이런 호기심

나의 지식이 쌓여가는 그런 기쁨

이런 거를 가지고 공부하면서 대학원도 다니고 학위도 따고 그랬습니다.

그리고 1999년쯤 됐을 때 일본에 당시 애니시 연구소라는 그래서 이런 초전도 소자 가지고 큐비트를 만들 수 있습니다 라는 논문을 네이처에 발표를 합니다.

 

 

큐비트는 반도체 디지털 소자처럼 01 01 이렇게 쓰는 디지털 비트하고 비교해서 퀀텀 비트죠 0 하고 1을 적당히 중첩할 수 있는 그런 걸 할 수 있는 소자가 이제 큐비트가 되는 건데 초전도 소자로 그런 걸 만들 수 있다는 거예요.

01 01하고 디지털로 쓰는 것 말고 중첩된 만큼 더 많은 정보를 한꺼번에 기록할 수 있고요.

또 그 와중에 얽힘이라는 게 있어서 여러 개의 큐베이터를 막 연결한 다음에 하나만 돌리면 전체가 한꺼번에 휙 휙 돌아가는 병렬석 계산을 할 수 있으니까 정보도 많이 쓸 수 있고, 여러 개를 한꺼번에 막 돌릴 수 있으니까 계산을 엄청나게 잘할 수 있을 거다.

그렇게 상상하시면 그게 양자 컴퓨터가 왜 좋은가에 대한 아주 기본적인 이해가 될 수 있습니다.

 

 

그래서 그 수십 년 전에 저는 양자 컴퓨터라는 생각보다는 이런 소자를 만들었는데 거기서 양자 역학이 되네 그런 호기심을 사고 있었다면

지금은 아주 커다란 글로벌 대기업들이 이만한 양자 컴퓨터 시스템을 만들어서 누구나 인터넷으로 접속해서 쓸 수 있는 그런 시대가 된 거예요.

참 격세지감( 隔世之感 )이죠.

 

 

사실 지금 돌아가는 양자 컴퓨터들은 그렇게 성능이 뛰어나거나 규모가 큰 건 아닙니다.

세상을 바꾸는 그런 양자 컴퓨터는 아직 없고요.

단지 연구용으로 그리고 앞으로 계속 발전해 나가는 어떤 단계 단계만의 연구 결과를 얻기 위한 그런 것들을 하고 있는데 그래도 발전 속도가 정말 빨라요. 정말 눈부시게 빠릅니다.

 

 

최근에 그 양자 기술이 이렇게 막 눈부시게 올라가는 걸 보면서 아니 양자 기술이라는 게 태동된 지 한 25년 뭐 그 정도 됐는데 어떻게 그렇게 빨리 발전할 수 있을까 이런 걸 물어보시는 분도 계십니다. 그런데 양자 기술은 이게 대표적인 융합 기술이에요.

기술 분류라는 게 얼마나 의미 있는지 잘 모르겠지만

양자 기술을 하려면 수학, 물리학, 전자공학, 기계공학, 컴퓨터 과학, 재료 공학, 반도체 통신 다 알아야 양자 컴퓨터는 양자 통신을 할 수 있거든요.

이런 기술들을 모아서 하면 되는 건데 양자 기술이 극 초기라고 하지만 그 양자 기술을 하기 위해서 모으는 기술들은 각 분야에서 최고의 기술을 모으는 겁니다.

재료가 엄청 좋은 고급 재료를 모아서 집을 짓는다고 생각하시면 돼요.

아무런 기술적 배경이 없던 맨땅에서 시작하는 게 아니고, 정말로 고급진 기술들이 흩어져 있던 것을 잘 모아서 그걸 양자 기술을 만들어 나가고 있다 이렇게 생각하고 있으면 되겠습니다.

 

 

어쨌든 뭐 저는 이게 초전도라는 소재를 가지고 그런 걸 칩을 만들어서 양자 컴퓨터를 만들고 있습니다.

 

 

실제로 여러분들 이렇게 살아가시면서 생활 중에 길을 가다가 아? 중첩됐네 이런 걸 보시는 일은 없지 않습니까?

오 저기 살아 있는 고양이가 죽어 있는 고양이가 중첩돼 있네? 뭐 이런 일을 보지 않잖아요.

그런데 저처럼 이 연구실에 아직 머물러 있긴 하지만 초등 도서자를 보면 매일매일 그런 일을 보게 되는 겁니다.

 

 

그런 취업을 만들고 그런 칩을 커다란 냉장고에다 이렇게 걸어 놓으면 거기서는 뭐 고양이는 아니지만 중첩 상태라는 게 그냥 매일매일 일어나기 때문에 어느덧 무덤덤해져요.

중첩이라는 건 세상에 그냥 널려 있는 거야.

버스를 타도 있는 거고 지하철을 타도 있는 거고.

개인적으로 양자 컴퓨터를 개발해 보면서 느끼는 점은 특히 이 초전도사를 개발하면서 느끼는 점은 생각보다 일이 수월하게 된다는 점이에요.

 

양자 기술 정말 어렵습니다.

어려운데, 그렇게 겁먹지 않아도 될 만큼 쑥 돼요.

 

제가 이제 연구 활동을 이제 뭐 한 30년 하면서 보면 가끔은 어떤 기술은 시작할 때부터 되는 느낌이 드는 그런 일들이 있어요.

여러분들도 무슨 일을 할 때 그런 일들이 있을 거예요.

시작하는데 이제 운동을 시작해도 그렇고 쓱 되는 것 같은 그런 느낌이 있는 들이 있고

대개 그런 기술들이 성공 확률이 높다는 게 제 개인적인 생각입니다.

초전도 소자가 그래요. 초전도 소자도 양자 정보 양자 역학적인 어떤 정보 영화 구위의 중첩을 썼다 지웠다 읽었다 하는 일들이 생각보다 쉽습니다. 난이도가 엄청나게 그렇게 크지가 않아요 생각보다.

그래서 이 양자 기술이 아직은 갈 길이 굉장히 먼 기술이기는 한데

그리고 지금 최근에 엄청나게 눈부시게 빨리 발전하고 있기는 한데

제가 생각하기에는 이게 어쩌면 안 되는 일을 막 우리가 억지로 하려고 하는 그런 일이 아니고

자연이 우리에게 이미 주어지고 있는 축복이었는데, 우리 곁에 모르고 있다가 지금 막 발견하고 그 축복을 잘 활용해서 뭔가를 만들어 가고 있는 게 아닌가 그런 희망적인 그런 생각을 해 봅니다.

 

 

 

양자 컴퓨터 우리 삶을 이제 어떻게 바꿀까요?

양자 컴퓨터 나오면 지금 컴퓨터 다 양자 컴퓨터로 대체하나요?

절대 아닙니다. 양자 컴퓨터는 양자 컴퓨터 혼자 쓰는 그런 기계가 아니에요.

양자 컴퓨터는 지금 컴퓨터가 하는 일들 중에서 여태까지 아예 못 했던 일이나 진짜 어려운 일만 도와주는 어떤 특급 원포인트 구원 투수 같은 거예요.

그 또 하나 양자 컴퓨터는 가장 최고의 성능을 추구하는 기계지, 가볍고 싸고 내가 옷에다 달고 다니는 이런 걸 추구하는 건 아직은 아닙니다.

앞으로도 굉장히 오랫동안 아닐 거고요.

양자 컴퓨터는 집집마다 사람들이 한 대씩 양자 컴퓨터를 두거나 손목에 차고 다니는 게 아니고, 어딘가에 양자 컴퓨터는 있고 우리는 인터넷 통해서 이렇게 접속하면서 쓰는 그런 컴퓨터입니다.

하는 일도 지금 컴퓨터 일의 순간순간을 보조해 주는,

그래서 어쩌면 여러분들이 사용자가 되는 입장에서는 내가 이게 스마트폰에서 하고 있는 일이 양자 컴퓨터를 쓰고 있는지 안 쓰고 있는지 신경도 쓰지 않고 알지도 못하고 그럴 수가 있어요.

 

 

 

또 하나 질문은 많이 받는 게 양자 컴퓨터와 양자 통신 창과 방패의 역할을 하다

뭐 이런 거 들어보신 적 있으실 수 있는데 조금은 잘못된 표현이라고 제가 생각합니다.

양자 통신은 아까도 설명을 들으셨겠지만 중간에 누가 이렇게 도청하는 걸 막아주는 거예요.

도청자는 완벽하게 막아줍니다.

하지만 도청을 제외한 다른 분야에서는 좀 원망대가 있을 수가 있고요.

양자 컴퓨터가 하는 일은 우리가 쓰는 암호를 깨는 건데, 암호 중에서 아주 특별한 형태의 암호만 깨 주는 겁니다.

우리 공인인증서 같은 그런 암호를 깨주는 건데요.

그러니까 양자 컴퓨터나 양자 통신이 정보를 보호하는 방식은 굉장히 중요하기는 하지만 암호를 해독하고 도청을 막는 것 잘 생각해 보시면 창과 방패는 아니에요. 

 

 

 

다시 이제 처음 질문으로 돌아가서

우리 뭐 과학자도 아니고 연구자도 아니고 심지어 이제 저는 문과인데요.

양자역학까지 알아야 됩니까?

양자 정보과학이라는 게 우리한테 무엇을 가져다 줄지는 완전히 열린 질문입니다.

모른다고 말씀드리는 게 맞아요.

그런데 지금 우리가 관찰하고 있는 지금 우리가 목격하고 있는 상황은 뭐냐 하면 그런 양자 기술이 정말로 생소하고 우리가 한 번도 본 적이 없는 우리 생활 속으로 엄청나게 빠른 속도로 막 들어오고 있다는 거가 지금 우리가 보고 있는 거예요.

그런 경험을 하고 있는 겁니다.

앞으로도 양자 기술이 굉장히 발전한다고 그러더라 여러분들 일상은 그렇게 많이 변하지 않을 겁니다.

아까 말씀드린 대로 심지어 일상에서 양자 컴퓨터가 나의 생활을 굉장히 도와주고 있다는 걸 인지하지 못할 가능성이 굉장히 많지만

그럼에도 불구하고 양자 기술은 어쨌든 물 밑에서 우리 생활을 굉장히 윤택하게 하는 데 기여하고 있을 겁니다.

특히 제가 강조하고 싶은 것 중의 하나는 양자 정보과학이라는 분야가 커지고 일상으로 들어오면서 사람들의 인식 체계가 굉장히 확대되고 사고 체계가 커진다는 거예요.

기존에는 전혀 상상도 못하던 일을 상상을 할 수 있게 되고,

경험하지 못했던 일을 경험을 함으로써

정말로 길에서 고양이하고 산 고양이하고 죽은 고양이가 중첩이 돼 있더라도 전혀 이상해하지 않고 무덤덤하게 그러려니 하고 지나가는 일이 된다는 것이 이 양자 역학적인 인식 체계로 세상을 바라보는 시각이 있다는 그런 패러다임 시프트가 결국 사회에도 변화를 주지 않겠는가 하는 게 제가 사회에서 일어날 수 있는 변화적 변역이라고 생각을 하고요.

우리의 언어에서도 아까 말씀드린 대로 양자 역학적인 표현들이 굉장히 자유롭게 들어올 겁니다.

지금은 애매한 상황이 됐을 때 물리학자 한 세 사람 정도 앉혀 놓으면 아유 그 중첩 상태네 이러고 농담을 합니다.

일상 언어에서 그렇게 안 쓰잖아요 물리학자들이나 쓰지.

하지만 어느 순간에 이런 물리학적인 개념들을 우리의 대화에서 쓸 수 있는 그런 우리의 언어에 양자 역학이 들어오는 일이 있을 수도 있다는 거고요.

다만 이제 양자 기술이 금방 뭔가 이루어질 거라고 기대하지 않는 것이 좋겠습니다.

양자 역학은 굉장히 어려운 기술이고요 진입 장벽도 높아요.

양자역학이 대성공을 거둬서 우리 생활에 뭔가를 도움을 주더라도, 그건 10년, 20년 훨씬 후일 거라고 예상되고 있고요.

당연히 너무 조급하게 생각할 일은 아니라는 겁니다.

아마 몇 년 뒤쯤 되면 좀 더 좋은 소식을 전하면서 또 새로운 강연을 할 수 있지 않을까 그런 생각을 하면서

오늘 이 강의 들으신 여러분들 양자 인간으로 거듭나시기를 바랍니다.

감사합니다.