세바시 1605회 | 문명의 두번째 퀀텀점프 | 이순칠 한국연구재단 양자기술단장, 카이스트 물리학과 교수

문명의 두번째 퀀텀점프 | 이순칠 한국연구재단 양자기술단장, 카이스트 물리학과 교수 | #미래 #양자역학 #과학 | 세바시 1605회

 

 

세바시 1605

 

 

 

고전 컴퓨터로 할 때는 한 1천 년쯤 걸립니다.

그런데 양자 컴퓨터로 하면 한 4분 정도면 찾아낼 수 있거든요.

그리고 양자 기술이 나온 지 또 한 30년 됐거든요.

그래서 이제 두 번째 콘텀 점프를 우리가 기대하는 시점에 와 있습니다.

그런데 이 양자 정보 기술은요 순간 이동 도청이 도저히 불가능한 양자 통신 전부 다 공산과학 같이 들리는 것들이거든요.

이 기술이 공산과학 같이 들리는 이유는 ...

 

 

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요약:

• 양자 컴퓨터와 양자 기술의 의의
  • 기존 고전 컴퓨터로 1,000년 걸릴 계산을 양자 컴퓨터는 4분 만에 해결할 수 있음.
  • 양자 기술(컴퓨터, 통신 등)은 이미 30년 이상 연구되어 왔고, 이제 두 번째 "퀀텀 점프(Quantum Jump)"의 시대에 진입 중.
  • 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산, 도청이 불가능한 양자 통신 등, 지금까지는 공상과학처럼 여겨지던 일이 현실이 되고 있음.
• 양자 물리의 일상 적용
  • 100년 전과 비교해 우리의 일상 대부분(전자기기, 생명공학, 현대 화학 등)이 양자 물리 덕분에 발전.
  • 스마트폰, 인터넷 등도 양자 물리가 없었으면 불가능했음.
  • "얽힘"이라는 양자 현상을 이용한 기술(양자 정보기술)이 최근 큰 진전을 이루고 있음.
• 양자 기술이 가져올 변화
  • 양자 컴퓨터가 상용화되면, 암호 체계 붕괴(현재 온라인 보안은 대부분 양자 컴퓨터에 취약), AI 발전, 신약/신물질 개발, 사물인터넷, 로봇 등 모든 4차 산업혁명이 한 단계 도약할 것.
  • 지금은 암호 해킹이 100년 걸릴 일이 4분 만에 가능해짐(예: 온라인 뱅킹, SNS, 금융 등).
  • 이미 국내 통신사들도 양자 통신망 시범 운영 중.
• 양자 기술의 철학적·과학적 논쟁
  • 양자 얽힘(비국소성)이 실험적으로 입증되기까지 오랜 시간이 걸렸음.
  • 기존 과학계는 실용적 연구에만 치중했으나, 용기 있는 연구자(아스페 등) 덕분에 얽힘의 실체가 드러남.
  • 혁신의 역사에는 "말썽꾸러기"들의 도전이 필수적임.
• 미래와 도전
  • 양자 기술은 미중 패권경쟁의 핵심 전략 기술이자, 미래 세대에 큰 기회이자 위기가 될 수 있음.
  • 이 분야는 어렵지만, 젊은 세대가 반드시 도전해볼 만한 가치가 있음.
  • 미래는 도전하는 이들에게 열릴 것이고, 외면하는 이에게는 위기임.
• 마지막 메시지
  • "양자역학을 모르는 사람과 아는 사람의 차이는 금붕어와 인간의 차이만큼 크다."
  • 양자 기술의 시대, 도전하는 사람이 금붕어 신세를 면할 수 있다.

 

 

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문명의 두 번째 퀀텀 점프

 

 

 

네 감사합니다.

그 어디 가서 이제 양자 물리 얘기를 하면, 그 양자 물리 그거 어디다 쓰는 거냐 이런 질문을 하시는 분들이 있으세요.

 

 

그런데 우리가 이렇게 주변을 둘러봐서 100년 전에도 있었던 빼고는 모두 양자 물리 덕분에 발명이 됐거나 그 덕분에 개선이 된 것이라고 얘기할 수 있습니다.

 

 

저희가 어릴 과학자의 모습 상상하면 어떤 걸 상상하셨어요?

하얀 까운 입고 곱슬머리 아저씨가 한 손에 이제 빨간 액체 든 플라스틱을 들고 다른 한 손에 파란 액체 들고 이렇게 비커에 부으면 하얀 증기 올라오고 뭐 이런 모습이잖아요.

그런데 양자 물리가 없었으면 현대 화학 실험실의 모습이 거의 그곳에서 많이 벗어나지 않았을 겁니다.

그리고 RNA, DNA를 다루는 생명공학이라든지 그것도 양자물리 덕분에 탄생했고요.

원자 폭탄 같은 대량 살상 무기도 양자물리 덕분에 태어났습니다.

 

 

전기를 아주 잘 흐르는 도체가 되거나 전기를 전혀 안 흐르는 부도체인 경우에는 우리가 고전적으로도 단순하게 이야기하기가 쉽습니다.

원자들이 모여서 고체를 이룰 때 스스로 자발적으로 이렇게 전자를 한 두 개씩 내보내면 그러면 이 안에 전자가 많으니까 전기를 잘 흘리는 곧 도체가 되거든요. 그리고 하나도 내보내지 않으면 그냥 부도체가 됩니다.

근데 이 도체와 부도체의 중간쯤 있는 반도체 이 어정쩡한 반도체는 이렇게 단순한 고전적인 방식으로는 이해하기가 어렵습니다.

 

 

그래서 양자 물리가 나와야 비로소 이 반도체를 제대로 이해할 수 있고 반도체 성질을 예견할 수 있고 이 반도체를 이용해서 트랜지스터 같은 것을 만들 수가 있습니다.

 

 

양자 물리가 나오니까 비로소 반도체를 이해하고 레이저를 이해해서 저희가 전자공학이 그렇게 해서 시작됐죠.

저희 주변에 보면 온갖 전자 기기에 둘러싸여 살고 있습니다.

 

 

우리가 스마트폰 전철 같은 데 앉아가지고 스마트폰에 코를 받고 있을 때는 다 양자 물리의 혜택에 둘러싸여서 이제 살고 있는 것이죠. 이렇게 양자물리 때문에 현대문명은 완전히 바뀌었고요.

양자물리가 있기 전과 후는 완전히 다릅니다.

그래서 현대 문명은 양자 물리에서 퀀텀 점프를 한 번 했습니다.

 

 

 

그런데 그동안에 양자 물리 중에서 하나 안 쓰여진 속성이 하나 있었거든요.

얽힘이라는 속성인데 그거를 이용한 기술들이 최근에 발전하기 시작했습니다.

 

 

저희가 이제 양자 정보 기술이라고 부르는 것인데 이 양자 정보 기술에 의해서 우리는 문명의 두 번째 콘텀 점프를 목격한 시점에 와 있습니다.

 

 

처음에 양자 물리가 나오고 30년 동안 양자물리가 형성되고 나서 문명의 첫 번째 콘텀 점프가 일어났고요.

그리고 양자 기술이 나온 지 한 30년 됐거든요. 그래서 이 두 번째 콘텀 점프를 우리가 기대하는 시점에 와 있습니다.

 

 

 

그런데 이 양자 정보 기술은 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빨리 계산하는 양자 컴퓨터 그다음에 순간 이동, 도청이 도저히 불가능한 양자 통신 이렇게 전부 다 공산과학 같이 들리는 것들이거든요.

이 기술이 공산과학과 같이 들리는 이유는, 우리가 이해할 수가 없었던 양자 물리에 기반을 두고 있기 때문에 그렇습니다.

그리고 우리가 양자 물리를 이해할 수 없는 이유는요 우리의 경험이 아주 제한돼 있는데, 아주 큰 세상과 아주 작은 세상은 우리 세상과는 모습이 아주 다릅니다.

그러니까 우리의 아주 작은 경험 세상을 몇십 년 경험해 봤다고 해서, 우리의 이해가 전 우주에 통할 것이라고 하는 그런 오만을 이제 버려야 되는 거죠.

우리는 이해할 수가 없습니다.

 

 

 

양자 정보 기술에서요. 제일 가장 제일 많이 발달돼 있는 양자 통신에 대해서 잠깐 설명을 드리겠습니다.

 

 

갑돌이하고 을순이가요 이제 통신을 하는데 우리가 도청을 하고 싶으면 신호의 일부를 따와야 되지 않겠습니까?

근데 이제 신호를 너무 많이 따오면 을순이가 눈치를 채죠.

그리고 너무 조금 따오면 제가 잘 들을 수가 없고요. 그러니까 이제 적당히 따와야 되는데,

그러니까 예를 들어서 만약에 빛을 갖고 통신을 한다 그러면 이제 반반사 골 같은 걸 써가지고 신호에 반은 을순이한테 가고 반은 이제 도청자가 자기가 이렇게 볼 수 있게 따오는 거죠.

그리고 이제 갑돌이와 을순이도 도청자가 그런 식으로 하는 걸 다 압니다.

그래서 이제 아 그러면 이렇게 하자고 제 아이디어를 낼 수가 있는데요.

신호를 아주 미약하게 보내가지고 더 이상 쪼개지 못할 정도로 보내자 이런 생각을 하는 거죠.

실제로 양자 물리가 발견한 바에 의하면 빚도 더 이상 쪼갤 수 없는 작은 단위가 있습니다.

그런 비알갱이를 혹은 뭐 광자라고 부르는데 그걸 하나씩 보내면요 이 광자는 비달갱이는 반투명 반반사 거울을 만나면 투가를 하거나 반살하거나 둘 중에 하나지 반으로 쪼개질 수가 없습니다.

 

 

그러니까 기존 방식의 도청이라는 게 불가능해지는 거죠.

 

 

 

근데 갑돌이하고 을순이가 이제 이런 아이디어 내고 좋다고 그러고 있으니까 도청자도 아이디어를 냅니다.

그러면 내가 신호를 몽땅 가로채 가지고 다 읽은 다음에 똑같은 신호를 만들어서 을순이한테 보내주면 될 거 아니야 그럼 모르겠죠 이거를 바로 못하게 하는 게 양자 통신입니다.

그래서 실제로 이 양자 통신은 이미 거의 상용화가 돼 있어서 다 팔고요.

우리나라에서도 통신 3사가 시범망을 국내에다 깔아서 운영해 보고 있습니다.

그리고 양자 컴퓨터가 이제 양자 기술에서 가장 중요한 기술인데요.

양자 컴퓨터가 빨리 계산하는데 빨리 계산한 이유는 중첩성에 의한 병렬 처리를 할 수 있기 때문에 그렇습니다.

이 병렬 처리라는 것은 다름이 아니고 여자분들이 잘하는 이 멀티 프로세싱을 얘기하는 거거든요.

한꺼번에 동시에 여러 가지 일을 이제 진행시키는 거죠.

이렇게 병렬 처리를 잘 하면 효율적인 대표적으로 알려진 알고리즘이 두 개가 있는데, 우연히도 이 두 개가 다 현대의 암호를 깨는 데 아주 효과적입니다.

 

우리가 처음에 어느 웹사이트에 가입을 하려고 하면 대문자 소문자 숫자 특수문자 다 합해서 8자 이상 만드시오.

이렇게 복잡하게 요구를 해서 아주 짜증나게 만들잖아요.

근데 이제 그렇게 해서 만들 수 있는 경우의 수가 한 2 56순 개 정도 되는데요.

그게 7경 개 정도 됩니다.

그런데 누군가 그걸 해킹하려고 한다고 할 때 어떤 식으로 아무것 썼는지 전혀 모르면 무식하게 막 집어 넣어 보는 수밖에 없잖아요.

그래서 만약에 1초에 100만 개씩 시도해 볼 수 있다라고 하면 고전 컴퓨터로 할 때는 100년쯤 걸립니다.

암호를 찾아내는 그런데 양자 컴퓨터로 하면 한 4분 정도면 찾아낼 수 있거든요.

 

 

 

벽렬로 처리하기 때문에 그런데요 그런데 제 온라인 뱅킹 계좌에 암호가 누가 깨려고 그러는데 100년이 걸린다고 그러면 걱정 안 하겠지만 4분이 걸린다고 그러면 이제 이건 문제가 달라지겠죠.

 

 

 

양자 컴퓨터가 하나 생기면요. 제일 처음 우리나라에 하나 생겼다.

그러면 청와대 지하에 갖다 놓고 그걸로 북핵 미사일 발사 코드 같은 걸 해킹하는 겁니다.

그러면 이제 미사일 발사를 마음대로 어느 방향으로 보낼 수도 있고 미사일 발사를 저지할 수도 있겠죠 심지어

그리고 제가 스위스 은행 계좌를 해킹해 가지고 거기 있는 돈 제가 다 가져올 수도 있고요.

이렇게 이런 일이 일어나면 우리나라가 이제 어느 나라나 당장 큰 혼란에 빠지게 될 것입니다.

 

 

그런데 이런 암호는 금융이나 국방에만 쓰이는 것이 아니고요.

사실 저희가 아침에 일어나면 제일 먼저 하는 일이 뭡니까? 스마트폰에 암호를 넣어서 깨우는 일이잖아요.

그렇게 되고 하루 종일 지내면서 저희가 SNS를 하고, 온라인 쇼핑을 하고, 뭐 주식 투자를 하고 그럴 때도 전부 다 암호 집어넣어서 해야 되죠. 그러니까 우리 생활은 사실은 하루 종일 암호에 둘러싸여 살고 있습니다.

 

 

 

이제 양자 컴퓨터가 나오면 내 생활이 얼마나 위협을 받게 될지 좀 실감이 가시죠?

4차 산업의 특징이 초연결성과 초지능성이라고 하는데, 이 양자 컴퓨터는 이 초지능성을 한 단계 업그레이드 시켜줄 수 있거든요.

 

 

그래서 4차 산업의 특징이라고 하는 화이트 칼라 노동의 대체 사물인터넷 로봇 서비스 가상현실 등에서 콘텀 점프가 일어날 겁니다.

그리고 양자 컴퓨터는 신약 신물질을 개발하는 시간도 훨씬 줄여줄 수 있습니다.

그리고 에너지도 절약할 수 있어서 탄소도 절감시켜 줄 수 있고요.

무엇보다도 이 인공지능을 한 단계 업그레이드 시켜 줄 수 있기 때문에 조만간에 저희 주변에 뭐 청소기만이 아니고 온통 이 로봇이 돌아다닐 것이라고 예상을 할 수가 있습니다.

 

 

그런데 이 양자 기술이 쉽게 태어난 게 아닙니다.

양자 물리가 처음 나오고 양자 기술이 나올 때까지 한 60년간 흑역사가 있었는데 얽힘이라는 성질에 아주 근거를 둬 가지고 발달한 건데 이 얽힘이라는 것이 이 우주 안에 있는 모든 입자들이 서로 조금씩 관계가 있다는 거거든요. 얽혀 있거든요.

그래서 우주의 한쪽 끝에 있는 입자를 측정하면 반대쪽 끝에 있는 입자의 상태를 순간적으로 알게 돼요.

그래서 우주라는 것이 과연 이렇게 국소적이냐 비국소적이냐 이런 철학적인 논쟁을 많이 불러일으켰습니다.

그래서 이게 굉장히 흥미롭고 중요한 질문이었음에도 불구하고 물리학자들이 이걸 연구할 수가 없었거든요.

 

 

 

왜냐하면 닐스 보어라는 이 양자 물리의 아버지라는 분이 인데 이분이 양자 물리는 완벽하니까 쓸데없는 사각하지 말고 계산이나 열심히 해 그러셨습니다.

그래가지고 이제 대부분의 과학자들은 우리가 아무기라고 그러는 그 시기에 열심히 계산해 가지고 현대 문명을 컨텀 점프 시켰죠.

훌륭한 일을 하셨죠

뭐 이상한 뭐 왜 뭐 얽힘이 어떻게 되고 이런 생각 안 하고요.

 

 

 

이 암흑기에도 이 말썽 꾸레기들이 있었습니다. 말 안 듣는

사실 그 맞선 꾸러기의 대부는 아인스타인이었는데, 그 밖에도 이제 벨이라는 사람이 뭐 자연이 국소적이야 어쩌야 이런 철학적인 논쟁을 실험실에서 증명할 수 있는 수식의 수준으로 갖고 내려왔습니다.

 

 

그리고 아스페란 사람이 그걸 실험으로 증명을 했고요.

 

이 아스페라는 사람이 벨을 찾아와 가지고 당신의 이론을 실험으로 증명해 보겠어 이렇게 얘기를 하니까 벨이 당신 정규직이오?

이렇게 물어봤다는 겁니다.

왜냐하면 그 당시에는 이런 뭐 쓸데없는 생각하면 연구비도 안 나오고 직장도 없었거든요.

그래서 이제 걱정을 해 준 거였는데 근데 이 아스베란 분이 그래서 그다음에 어떻게 됐을까요?

맞습니다. 올해 노벨상을 받으셨습니다.

 

 

용기 있게 하신 덕분이죠.

이분들이 그 아무게 이 용기를 갖고 하신 덕분에 이제 저희가 그 암호 양자 정보 기술이 발달하게 됐는데

저는 뭐 이제 이분들만큼 용기 있는 행동을 한 건 아니지만, 양자 컴퓨터가 처음 나왔을 때

제가 하던 이제 연구를 딱 중단하고 그 일에 뛰어들었습니다.

그 당시에는 우리나라에 양자 컴퓨터, 양자 정보통신 이런 거 연구하시는 분이 서너 분 밖에 안 계셨기 때문에 좀 외로웠어요.

그렇지만 제 40년 인생에서 그 당시가 제일 즐거운 시기였습니다.

 

 

지금은 이제 1세대 연구자의 책임감으로 이 분야 연구를 지원하는 일을 하고 있습니다.

제가 양자 컴퓨터, 양자 정보 기술이 가져올 미래에 대해서 말씀드렸지만,

사실 어떤 미래를 가져오게 될지는 물리학자들은 잘 모르겠습니다.

양자 물리를 조금 공부하신 미래학자들이 더 잘 말씀해 주실 수 있을 것 같아요.

전자기 유도라는 걸 처음 발견한 마이클 패러데이한테 사람들이 와서 그거 알아서 뭐 하는 거예요 어떤 데 쓸모가 있어?

이렇게 물었습니다.

 

이 전자 기도라는 게 코일에 이 자석이 가까이 오면 전류가 흐르는 현상이거든요.

그러니까 그거 알아서 뭐 하냐는 거죠.

그랬더니 패러데이가 처음 태어난 아이가 커서 어디에 쓸모가 있을지 어떻게 알겠냐? 이렇게 대답을 했다는 거예요.

근데 지금은 우리 주변에 있는 전자기기의 코일이 없는 기계는 아무것도 없다고 제가 단언할 수 있습니다.

1990년 초에 인터넷이 처음 나왔을 때 지금 같이 쓰였을 지를 누가 알았겠습니까?

 

양자 정보 기술은요

미중 간의 패권 경쟁을 다루는 전략 기술이고, 우리나라에서도 12개 전략 기술 중에 하나입니다.

이 양자 기술은 모든 분들한테 기회를 드릴 것이고, 이 기회를 외면하시는 분들한테는 위기가 될 수도 있습니다.

그리고 이 기술은 사실 쉽지 않습니다.

그래서 젊은이들한테는 아주 훌륭한 도전거리가 될 테고요.

그리고 도전해 볼 만한 가치가 있습니다.

이 기술이 미래에 우리에게 어떤 미래를 가져오게 될지

그것이 훌륭한 신세계가 될지, 혹은 아물한 신세계가 될지는 여기 앉아 계신 이 젊은이들한테 달려 있는 거죠.

 

 

그리고 마지막으로 제가 이제 머레이 갤만이라는 분의 말씀을 하나 전해드리고 싶은데,

이분은 노벨상도 타신 훌륭한 분인데 좀 오만하기로 유명하셨어요.

이분이 뭐라고 그러셨냐 하면은 양자 역학을 아는 사람과 모르는 사람의 차이는

모르는 사람과 원숭이의 차이보다 크다라고 그러셨어요.

그러면서 양자 역학을 모르는 사람은 금붕어나 다름이 없다 그러셨거든요.

 

오늘 이렇게 여기에 오는 수고를 마다하시지 않은 여러분들은 그 덕택에 금붕어 신세를 면하셨습니다.

감사합니다.