量子力學과 量子컴퓨터

[pinetree]

(양자 과학 기술의 총아인 양자컴퓨터의 모든 것을 집중 조명한다. 올 봄 열린 세계 최대 AI 컨퍼런스 GTC에서는 양자 기술만을 다루는 양자의 날이 열려 세계…)

내레이션: 늘 궁금했습니다. 인간의 언어로 자연을 이해할 수 있을까? 우주의 신비와 무한한 생명의 파도, 자연의 법칙을 찾는다면 미래도 예측할 있다는 믿음, 그렇게 우린 눈부신 현대문명을 이뤘습니다. 하지만 인류는 여전히 자연 앞에 무력합니다. 고도의 문명을 이루고도 풀지 못하는 난제들 왜 더 나아가지 못할까요?

학자: 근본적으로 이해하는 부분이 많아요.

학자1: 기술이 천장에 도달한 거죠.

내레이션: 한계라고 생각한 순간 늘 새로운 문이 열렸습니다. 불확실성을 이용한 일단 확실한 해답, 자연의 질서를 이해한 도구, 우린 그걸 이렇게 부릅니다. 퀀텀 두번째 불의 발견 양자 컴퓨터

(미국 캘리포니아주) GTC: GPU Technology Conference 2025년 3월 17일

내레이션: 지난 3월 열린 세계 최대 규모의 AI 국제회의, 매년 수많은 개발자들이 모여 최신 기술과 미래의 비젼을 공유하고 있죠.

조시 린드스트롬: 이곳은 AI의 슈퍼볼(챔피언쉽)이고 모두가 승자입니다. AI와 함께라면 모두가 승자가 될 수 있으니까요

참가자: 저희는 미래의 제조라인을 설계하기 위해 열심히 노력하고 있습니다. 그것도 굉장히 기대되는 부분입니다.

데반잔 사하: 엔비디아는 날로 엄청난 혁신을 이뤄내고 있습니다. 여기서는 그런 점을 배울 수 있을 뿐만 아니라 현재 그리고 몇 년 후에 어떤 일이 벌어질 지 볼 수 있는 최고의 장소입니다. 오늘 젠슨 황이 어떤 얘기를 할지 정말 기대되네요.

내레이션: 전세계가 이곳을 주목하는 이유는 바로 이 사람, 엔비디아의 CEO 젠슨 황이 있습니다.

젠슨 황/엔비디아 CEO: 데니스(미국 프랜차이즈 식당)에 오신 것을 환영합니다. 여기가 제 첫 직장이에요. 여러분께 말씀드리고 싶은 굉장한 소식이 많아요. 다들 제가 무슨 말을 할지 안다고 생각하겠지만 사실 여러분은 아무 것도 모릅니다. 물론 AI에 관한 이야기를 하겠죠. 지금은 말씀 못드려요. 궁금하면 쇼에 오세요.

내레이션: 모두의 기대와 관심을 한 몸에 받으며 그가 무대에 등장합니다.

젠슨 황: GTC에 오신 걸 환영합니다. 컴퓨터 기술의 모든 부분이 완전히 바뀌었습니다. 물리적 인공지능이라 불리는 새로운 AI 시대가 열리면 로봇 기술이 실현될 것입니다. (일동 박수).

내레이션: 전문가들은 말합니다. 미래 산업은 AI의 전쟁터가 될 거라고, 변화는 이미 시작됐죠. 인간처럼 실시간으로 현실 세계를 이해하고 상호작용을 하는 로봇시스템처럼 개발이 한창입니다. 어떤 기술은 인간의 기대를 훨씬 뛰어넘었습니다.

참가자: 아이들이 그림 그리는 법을 배울 수도 있겠죠.

참가자1: 초상화가 꽤 자연스럽잖아요.

아바룹: 미래에는 (AI가) 혁신적이고 창의적이면서도 인간과의 상호작용이 풍부해질 것 같아요.

내레이션: 우리 앞에서 펼쳐질 또 다른 세계,

질문: 언젠가는 활용할 수 있겠죠. 그게 언제일까요?

젠슨 황: 유용한 성능의 양자 컴퓨터가 개발되려면 빠르면 15년, 늦으면 30년쯤 걸릴 겁니다.

내레이션: 젠슨 황의 이 발언은 관련 업계를 뒤흔들었습니다. (양자 컴퓨터 상용화 15년~30년 걸려, 엔비디아의 젠슨 황 발언 후 양자기업 주가급락 Quantum stocks like Rigetti plunge after Nvidia’s Huang says the computers are 15 to 30 years away). GTC 양자컴퓨터의 날 2025년 3월 20일 다음날 알게 됐죠. 몇몇 회사 주식…사실은 업계 전체 주식이었죠. 그게 60%나 하락했더군요. 세상의 모든 양자 컴퓨터 기업을 초대합니다. 제가 왜 틀렸는지 알아 봐야죠.

내레이션: 두 달 뒤 그는 GTC에서 최초로 양자의 날 회의를 열었습니다. 업계 리더들과 심층적인 대화를 나눈 젠슨 황,

젠슨 황: 다들 기업을 잘 운용하고 있었군요. 지난번 일은 죄송했어요.

참가자: 멋진 이야기죠.

젠슨 황: 기존 컴퓨터의 AI 모델 학습에 필요한 정답 (Ground Truth)을 구하는 데 양자컴퓨터를 쓰는 거죠.

라지브 하즈라/퀀텀넘 CEO: 양자 장치, 도구, 기기들은 우리가 이전에는 접근할 수 없었던 데이터를 활용해 AI 엔진을 학습시킬 수 있는 능력을 확장하고 있습니다.

내레이션: 엔비디아의 양자기술 전쟁 참전 소식에 전 세계가 주목했습니다. 실제로 엔비디아는 올해 가속양자 연구센터를 설립할 계획입니다. 엔비디아 쿠다-Q (CUDA-Q) 플랫폼-엔비디아는 양자컴퓨터 개발에 자사의 GPU를 활용할 예정, 향후 막대한 연산능력이 필요한 차세대 데이터 센터에 양자컴퓨터를 활용할 계획이다.

내레이션: 양자컴퓨터를 이렇게 주목하는 이유가 뭘까요?

스콧 크라우더/IBM 부사장: 이건 완전히 다른 접근 방식으로 화학문제를 훨씬 더 효율적으로 해결하거나 데이터 패턴을 파악해 최적화와 머신러닝(기계학습)을 훨씬 효율적으로 할 수 있게 해주죠.

이순칠/카이스트 물리학과 명예교수:  양자컴퓨터 기술은 진화적, 혁명적 정도가 아니라 사회의 모든 기반을 다 와해시킨 다음에 새롭게 일으키는 기술이다.

내레이션: 모두가 입을 모아 말합니다. 미래를 바꿀 새로운 패러다임이 이제서야 나타났다고 대체 양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와 무엇이 어떻게 다를까요? 컴퓨터는 어떤 명령어로 0과 1 두 개의 숫자로 만들어 처리하는데 이를 비트라고 합니다. 예를 들어 우리가 퀀텀 계산해 라고 명령어를 입력하면 각 문자마다 부여된 코드를 분해해 약속한 숫자에 대응시키는데요. 이때 0과 1로 구성된 2진법을 활용하는 거죠. 컴퓨터가 큐비트 트랜지스터에 전류가 흐르면 차단되는 0으로 인식해 이진수 명령을 처리합니다. 그렇다면 양자 컴퓨터는 어떨까요?

채윤미/고려대학교 물리학과 부교수: 양자 컴퓨터 같은 경우는 큐비트, 퀀텀 비트라고 해서 큐비트를 정보의 기본 단위로 삼습니다. 그러면 컴퓨터의 비트가 0, 1 값을 가지는 것처럼 양자 컴퓨터의 큐비트도 0 상태가 있고 1 상태가 있어요. 그런데 양자컴퓨터는 양자 역학적으로 동작을 하기 때문에 큐비트가 0이면서 동시에 1인 값을 가질 수도 있어요. (큐비트(Qubit)-양자 컴퓨터 계산의 기본 단위, 양자적 물질의 특성인 중첩 원리를 활용해 컴퓨터의 정보를 병렬 처리한다).

내레이션: 큐비트의 소재를 잘 제어하며 0이면서 동시에 1인 중첩상태를 만들 수 있다는 거죠. (QPU: Quantum Processing Unit-양자 컴퓨터의 연산 장치 큐비트들을 양자적 물질의 특성인 양자 얽힘 성질을 이용해 서로 연결시켜 놓은 것). 큐피트 여러 개를 서로 연결시켜 큐피유로 사용합니다. 0이면서 1인 중첩의 특성을 이용하면 무엇이 다를까요. 여기 복잡한 미로가 있습니다. 기존의 컴퓨터로 출구를 찾는다면 경로를 하나씩 시도해 볼 겁니다. 얼마나 빨리 많은 시도를 하느냐가 중요 하겠죠. 그런데 양자 컴퓨터는 그런 수많은 경로를 동시에 계산합니다. 중첩 상태인 큐비트를 이용한다는 건 이렇게 전혀 다른 접근 방식을 뜻하죠. 이전의 비튜체계와는 처리능력을 비교할 수도 없습니다. 오랜 시간 달 탐사를 준비했던 인류에게 전우주 별을 동시에 스캔할 수 있는 꿈의 도구가 생긴 겁니다.

이순칠: 1큐비트면 2배 빠르니까 별 거 아닌데 40큐비트가 있으면 1조(배) 쯤 빠르거든요. 어떤 문제를 우리가 푸는데 만약에 150억 년이 걸린다 현재 컴퓨터로요. 그럼 그건 못 푼다는 얘기랑 똑 같거든요. 그런데 그런 거를 양자 컴퓨터를 이용해서 하루 또는 길게 한 달에 푼다고 하더라도 그러면 여태까지 불가능했던 난제를 해결할 수 있다는 뜻이니까 우리한테 불가능했던 문제를 풀 수 있게 되었다.

내레이션: 지금까지 인간에 가뒀던 물리적 제약은 또 한 겹 사라질 겁니다. 막대한 연산기능을 지닌 새로운 도구의 탄생으로 인류는 한 걸음 더 나아가게 되었죠.

정재호/연세대학교 양자산업단장: 굉장히 대표적인 암 돌연변이 유전자에서 만들어지는 단백질이 있습니다. 그 단백질의 기능을 억제하면 암을 치료할 수 있는 데 단백질의 기능을 억제하는 약을 찾기가 너무 어려워요. (양자 컴퓨터의) 계산력을 기반으로 해서 이전까지 없었던 그런 약들을 만들어 낼 수 있고 더 좋은 치료를 더 많은 환자가 받을 수 있는 기회가 있다고 생각합니다.

내레이션: 실시간 임상에 덧붙여 맞춤형 치료와 신약개발 산업현장의 혁신, 기후 위기 대응까지 양자 컴퓨터의 영향력은 전방위적입니다. 불확실한 현상을 찾아낼 수 있을지도 모르죠. (미국 백악관) 신기술은 패권전쟁으로 이어졌습니다.

도널드 트럼프/미국 대통령: 우리가 원하는 것은 이 기술을 미국에 두는 겁니다. 중국은 경쟁자이고 다른 나라도 경쟁자입니다. 이 기술은 미국 안에 있어야 하고 우리가 활용할 수 있게 만들겁니다.

내레이션: 미국은 국가 안보 등에 있어 양자 기술의 파급력을 인식하고 투자를 서두르고 있습니다. (미국의 전략적 경쟁국인 중국이나 러시아는 첨단 군사기술 개발에 꾸준한 진전을 보이고 있습니다. 이러한 기술들이 해외 및 자국의 군사력에 통합되어 실전 배치되면 국제안보의 미래에 중대한 영향을 미칠 수 있으며 이는 지금 지원과 프로그램 감시 측면에서 미의회의 주요 관심사가 되어야 할 것이다). 지난 2018년부터 법안을 제정해 투자범위를 전방위적으로 확대했죠. (본 법안의 목적은 양자 정보 과학 및 기술 응용 분야에서 미국이 선도적인 위치를 유지하도록 보장하는 것이다.). 대기업들도 대규모 투자의 결실을 내놓는 중입니다.

연구원: 이쪽으로 오세요. (미국 뉴욕주 요크타운 하이츠 (IBM 왓슨 연구소)).

내레이션: 양자 컴퓨터 분야에서 선도기업 중 하나인 미국의 IBM사, 세계 최고 성능의 양자 컴퓨터가 이곳에서 만들어지고 있죠. 양자 컴퓨터는 생김새부터 기존 컴퓨터와 확연히 다릅니다. 양자 칩을 작동하기 위해서는 초저온 냉각기, 주피오 신호장치, 수많은 케이블을 비롯해 많은 장비들이 유기적으로 결합되어야 하죠.

연구원: 큐피유(QPU)인 헤론 칩을 사용하기 위해 연결하면 헤론이 이 판 위에 매달리게 됩니다.

내레이션: 그리고 바로 여기에 양자 컴퓨터의 두뇌에 해당하는 두뇌 동작칩 큐피유를 연결합니다 (QPU:Quantum Processing Unit-양자 컴퓨터의 연산장치, 정보처리, 기본단위로 큐비트를 사용한다). IBM은 초전도 재료를 이용해 큐피유를 만드는데 반도체처럼 키판에 회로를 그리는 방식입니다. 이 작은 칩 안에 156기의 큐비트가 들어가 있습니다. 그런데 저온에서만 작동하는 헬륨 가스를 이용해 그 환경을 만들었죠. 막대한 투자와 노력 위에 탄생한 기술,

스콧 크라우더: 이건 사실 시작에 불과해요. 지난 9년 동안 우리는 아주 큰 발전을 이뤘습니다. 2016년 이전만 해도 양자컴퓨터는 일종의 공상 과학처럼 여겨졌어요. 단지 대학 연구실에 머물러 있었고 양자 개발자와 같은 것은 존재하지도 않았죠. (리처드 파인먼-미국의 이론 물리학자 1918~1988).

내레이션: 물리학자 리처드 파인먼은 1981년 양자역학의 원리를 이용한 새로운 컴퓨터의 필요성을 제안했습니다. 양자 컴퓨터의 이론적 토대가 이 때 탄생했다.

채은미: 2000년대부터 많은 이론적인 개념이 실험적으로도 구현되기 시작했습니다. 그 이면에는 기술발전이 있는데요. 레이저가 개발됐고, 깨끗한 전기를 만드는 전기신호 장치가 많이 개발됐고 냉각기도 많이 발전했고, 진공기술도 발전하고 이런 다양한 기반 기술이 20세기 후반에 축적되면서 드디어 2000년대 들어서 양자 상태들을 잘 제어할 수 있게 된 거예요. 이때부터 양자컴퓨터가 실험적으로 하나 둘씩 구현되기 시작했죠.

내레이션: 하나의 기술발전이 때로는 또 다른 기술을 견인하기도 합니다. (큐에라/미국 매사추세츠주 보스턴). 하바드와 MIT 연구진이 협력해서 양자 컴퓨터를 세웠는데 초전도 양자컴퓨터는 모습부터 다릅니다. 중성원자로 큐비트를 만드는 방식이죠.

연구원: 우리는 원자를 제어하기 위해 레이저를 보내고 있습니다. 이 레이저는 다양한 미터기와 광학부품 그리고 여러 광섬유를 통해 전달됩니다. 이 광섬유를 통해 중성원자와 실제로 양자 연산이 이루어지는 곳으로 레이저가 전달되죠.

내레이션: 중성원자 자체를 레이저로 제어해서 비트로 사용합니다. 최근 256ppt의 양자 컴퓨터를 크라우드 형태로 전세계에 공개했습니다. 초전도 방식의 효율성 보다 많은 숫자죠.

불라산 부레티지/매사추세츠 공과대학교 물리학과 교수: 초전도체 방식의 큐비트는 극도로 미세한 구조로 인위적인 제조 공정이 필요한데요. 큰 과제는 모든 큐비트가 완전히 동일해야 한다는 점입니다. 큐비트들의 크기나 모양이 아주 조금만 달라져도 양자 컴퓨터에서 더 이상 작동하지 않습니다. 반면 우리는 자연상태의 중성원자를 큐비트를 사용하는데 같은 종류의 원자들은 본질적으로 완전히 동일하죠. 그래서 큐비트 수를 늘리는 데 큰 이점이 있습니다.

내레이션: 만드는 제조나 방식에 따러 다양한 큐브트 플랫폼이 존재한다. (이온, 초전도체, 중성원자, 광자 등 큐비트는 다양한 방식으로 만들어진다. 방식에 따라 양자 컴퓨터의 구조와 성능, 장단점이 달라진다). 초전도체가 중성원자 외에도 이온이나 광자를 이용한 방식이 주목받고 있죠.

이순칠: 별의별 양자 컴퓨터 후보들이 많이 나왔었습니다. 심지어 이건 실용적이지 않지만 블랙홀도 양자 컴퓨터가 될 수 있다. 이런 얘기도 있었고요.

내레이션: 양자 컴퓨터 춘추전국시대, 중국도 본격적으로 뛰어들었습니다 (휴머 노이드 로봇 하프 마라톤 대회 중국 베이징 2025년 4월 19일). 지금 중국이 원하는 건 적수가 없는 첨단 기술강국이 되는 것,

시진핑/중국 국가주석: (중국 전국과학 기술대회 2024년 6월 24일). 중국은 세계적인 과학기술 강국을 건설하는 웅대한 목표를 향해 나아가야 합니다. (쭈충즈 3호-중국에서 2025년에 개발한 105큐비트 초전도 양자 컴퓨터. 슈퍼 컴퓨터 보다 1,000조 배 빠른 성능을 자랑한다.). 올 3월엔 105피트를 탑재한 시제품 개발에 성공했습니다. 정부차원의 대규모 육성, 양자기술 특허의 숫자만 봐도 강력한 존재감이 드러나죠. (중국 국립양자정보 과학연구소-중국 안후이성 허페이). 세계 최대 규모의 양자 연구실험에서부터 산업클러스터까지 조성했습니다. (중국 양자거리-수십개의 양자 기술기업이 모여 있는 중국 안후이성 허페이시의 거리). 양자거리라 불리는 이곳엔 양자 컴퓨터 기업들이 밀집해 있죠. 최근 들어 AI와 로봇 기술 분야에서 미국을 거의 따라 잡았다고 평가받습니다. 다음 목표는 분명합니다. 압도적인 첨단 기술 선도국이 되겠다는 것,

연구원: 기존 컴퓨터와 1,000큐비트 양자(광자) 컴퓨터를 비교 했을 때 우리의 장점은 네 단어로 표현 가능합니다. 크고 빠르고 쓰기 편하다. 크다는 것은 성능이 좋다는 뜻인데 큐비트가 많을 수록 처리 능력은 더 빨라집니다.

내레이션: 미국과 중국은 이미 차세대 기술패권을 두고 치열하게 다투고 있습니다.

최순원/매사추세츠 공과대 물리학과 교수: 전반적으로 볼 때 제가 받는 인상은 미국이 1등이라면중국은 1등 보다 힘이 센 2등 때로는 새로운 아이디어가 필요한 게 아니라 정확한 목표가 있는 경우가 있어요. 큐비트의 개수를 늘리자 혹은 큐비트의 성능을 높이자 이런 식으로 정확히 정해진 목표가 있으면 집중적인 투자를 해서 굉장히 빠르게 기술을 개발하는 경우가 있습니다. 중국이 그렇게 도전하고 있는 것 같아요.

내레이션: (스톡홀름/스웨덴 노벨상 시상식 2025년 12월 10일) 세계 최고 권위를 자랑하는 노벨상, 그 무대에도 양자가 등장했습니다. 

사회자: 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어, 에르빈 슈뢰딩거는 1935년에 이미 量子力學에 대해 깊이 고민했습니다. 그리고 우리는 지금 2차 양자혁명의 시대에 들어섰습니다. 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 차일링거는 양자 얽힘 현상을 실험적으로 증명하고 양자 컴퓨터 등 양자 정보과학을 개척한 공로를 인정받아 노벨 물리학상을 받았다.

내레이션: 이들의 연구주제는 양자 얽힘 현상, 量子力學의 고유 특성 중 하나를 증명해 양자 정보과학의 미래를 열었다는 평가를 받았습니다. 알랭 아스페 교수는 양자 얽힘 현상을 실험으로 증명했습니다.

알랭 아스페/2022년 노벨 물리학상 수상: 양자 얽힘은 1935년 아인슈타인과 동료 보리스 포돌스키와 나탄 로젠이 발견한 속성입니다. 양자 물리학 방정식에서 상호작용하던 (얽혀있던) 두 입자가 분리되어도 상관관계가 깊다는 것을 발견할 수 있습니다. 정말 놀라운 점이고 바로 이것이 다양한 가능성을 여는 양자 얽힘의 힘입니다. (양자 얽힘(Quantum Entanglement)-중첩 상태인 입자들을 한 번 상호작용 시켜놓으면 두 입자가 거리에 상관없이 즉시 영향을 주고 받는다). 중첩상태인 입자들을 한 번 연결시켜 놓으면 입자들이 아무리 멀어져도 즉시 영향을 주고 받는 현상, 이것이 바로 양자 얽힘 입니다. 그동안 첫째 과학자들 사이에서도 의견이 분분했을 만큼 양자 얽힘 현상은 20세기 물리학계의 최대 논쟁거리였습니다. 

알랭 아스페: 이것이 첫 시제품이고 이건 두 번째 시제품입니다. 몇 나노초 만에 광선 방향을 바꿀 수 있었던 빛의 경로 장치예요. 이 덕분에 제 실험을 완성할 수 있었습니다. 보시듯 별거 아니에요, 이것만으로도 노벨상을 받아요.

내레이션: 그의 연구 덕분에 20세기는 양자기술의 세계로 나아갈 수 있었죠.

알랭 아스페: 저는 그것이 단순히 기초 연구 주제라고 생각했습니다. 즉, 아인슈타인과 보어가 벌였던 양자 물리학 해석에 관한 논쟁에 종지부를 찍는 것이죠. 저는 상상조차 하지 못했습니다. 10년, 20년 후에 사람들이 양자 얽힘을 양자 기술에 이용하게 될 줄은요.

내레이션: 여러 곳에 동시에 존재하더라도 측정하려는 순간, 하지만 남습니다. 인간의 눈으로는 이해할 수 없었던 자연의 현상, 자연을 들여다 보는 일은 때론 한계에 부딪쳤습니다. 그러나 인간은 끝없이 그 원리를 발견하고자 합니다. 양자 역학 중에서도 가장 기이하다는 양자 얽힘 현상, 한쌍으로 얽힌 입자는 한 몸처럼 즉시 영향을 주고 받습니다. 그 효과는 아무리 멀리 떨어져 있어도 유지됩니다.

이순칠: 그러니까 실험을 어떻게 해도 이해할 수가 없어요. 저희 상식으로는 그래서 양자 역학 얘기가 굉장히 이상한데 이상한 것은 양자역학이 이상한 것이 아니라, 자연이 이상한데 그걸 설명하는 이론이기 때문에 이상한 겁니다. 평생 몇 십년 사는 동안 우리가 사는 세상의 규칙에 익숙해져서 제가 여기서 관측한 바가 전 우주에 통할 거라고 생각하잖아요. 근데 전 우주에 통하지 않거든요. 너무 작을 때하고 또 너무 클 때는 지배하는 물리 법칙이 달라서 우리가 사는 세상하고 모습이 다릅니다.

내레이션: 세상의 물질을 쪼개고 쪼개다 보면 다다르는 원자의 세계, 원자핵과 이를 둘러싼 전자로 이루어져 있죠. 전자들이 있는 각 궤도 사이는 텅 비어 있습니다. 전자는 궤도 사이를 순간 이동하면서 사라졌다 나타났다 하며 이동하게 됩니다. 여기서 양자 개념이 비롯되었습니다.

최순원: 단어 뜻 자체는 양을 측정하는 입자라는 뜻이에요. 우리가 예를 들면 시간, 에너지 이런 걸 얘기할 때 연속적인 값을 갖는 그런 물질이라고 생각했지만 연속적인 값을 갖는 게 아니라 하나, 둘 셀 수 있는 값을 갖고 셀 수 단위로 행동한다.

내레이션: 이 양자 개념을 처음 제시한 건 독일의 물리학자 막스 플랑크입니다. 기존 물리학으로는 설명이 되지 않는 현상들을 설명하기 위해서였죠. (막스 플랑크/독일의 물리학자 1858~1947). 그는 빛과 같은 에너지는 연속적으로 흘러 나오는 것이 아니라 작은 묶음의 형태로 뚝뚝 끊어져 움직인다고 가정했습니다. [양자(量子,quantum)-더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소 단위, 에너지나 물리량이 연속적인 흐름이 아니라 정해진 단위로 띄엄띄엄 존재한다는 개념]. 띄엄 띄엄 존재하는 것들이 갖는 최소 에너지량 이것이 양자의 개념입니다. 시간도 공간도 연속적이라 여겼던 세계관의 점화, 그 토대 위에 물리학이 완성됐고 세상의 모든 움직임을 설명할 수 있게 되었습니다. 날아가는 공이 그리는 곡선의 모습에서부터 파동이 어떤 형태로 퍼지며 에너지를 실험하는지 우리는 주변의 모든 현상을 수식으로 설명하는 예측할 수 있게 되었습니다. 마침내 행성이 어떤 식으로 태양 주위를 공전하는지 천체들에게 보이지 않는 연결까지 말이지요. 모든 것이 명확하고 예측 가능하다고 여겼던 이전의 과학자들, 이제 작은 세계의 몇 가지 현상만 설명하면 된다고 생각했습니다. 원자와 같이 아주 작은 세계에서 벌어지는 일은 우리의 직관으로는 알아낼 수 없습니다. 그들만의 물리법칙이 존재했죠. 과학자들은 물질의 근원부터 파고 들었습니다.

최순원: 전자가 원자핵 주위를 돌고 있는데, 아무렇게나 돌고 있는 게 아니라 특정한 에너지 형태를 가진 상태로 돌고 있다. 왜 이것들이 양자화되어 있을까, 연속적이지 않고 거기에 대해서 집    중적으로 탐구하게 되거든요.

내레이션: 그러다가 중요한 가설을 세웠습니다. 입자인지 알았던 물질이 사실 파동인건 아닐까

채은미: 입자는 질량이 있고 위치를 정확하게 지정할 수 있어요. 그래서 위치가 있으니까 속도도 알 수 있고 입자 1개, 2개, 3개 이렇게 개수를 셀 수가 있는데 파동은 위치를 지정할 수 없어요. 얘가 어디 있나요? 라고 하면 다 퍼져 있잖아요. 위치를 콕 집어서 얘가 여기 있어 라고 말하는 게 상당히 어려워요.

내레이션: 상상은 곧 실험으로 연결됩니다. (레스터 거머 1896~1971). (클린턴 데이비슨 1881~1958). 진공상태에서 간단한 구멍 두 개를 뚫고 막을 설치합니다. 그리고 전자를 쏘았습니다. 만약 전자가 입자라면 앞에 구멍을 통과해 두 줄의 흔적을 남길 겁니다. (전자의 이중 슬릿 실험을 개조해 전자의 성질을 밝혀냄이 실험으로 전자가 입자, 파동의 성질을 모두 가진다는 전자의 이중성이 증명됐다). 하지만 결과는 예상 밖이었죠. 벽에 여러 줄 무뉘가 나타난 겁니다. 전자가 파동이라야 가능한 현상, 파동은 물결 모양으로 이동하는데 두 구멍을 동시에 통과한 파동이 서로 겹치면서 여러 줄의 간섭 무늬를 만들어 냅니다. 물질이 파동이라니 믿을 수 없었습니다. 과학자들은 한 번 더 실험을 진행했습니다. 이번엔 광자를 쏘아 전자의 움직임을 관측해 보았죠. 그러자 놀랍게도 아까의 간섭 무늬 대신 두 개의 줄 무늬만 나타났습니다. 파동과 입자의 성질을 모두 가지고 있지만 관측여부에 따라 다른 특성을 보여준 것입니다.

이순칠: 입자와 파동은 한 가지인데 우리가 사는 세상에 대해서는 그 특성이 완전히 분리되어 있습니다. 그런데 미시(아주 작은) 세계로 가면 이건 한 가지 개념이거든요. 그런데 우리는 이 두 특성이 따로 따로 나타나니까 우리가 사는 세상을 설명하기 편하도록 입자라는 개념을 따로 만들었고 파동이라는 개념을 따로 만들었어요. 그렇게 이것에 대한 개념이 확실해지다 보니까 이것이 뭉친 개념에 대해서는 이해하기가 힘들어졌다.

내레이션: 말하자면 이런 것입니다. 즉 입자를 보려고 하면 웨이브 wave 파동의 성질이 안보입니다. 반대의 경우도 마찬가지죠. 입자와 파동은 동전의 양면처럼 공존하고 있습니다. 물질의 이중성이 밝혀지면서 전자들의 운동을 곧 이해할 수 있다고 생각할 무렵, 그 운동을 수식으로 나타내려던 독일의 물리학자 하이젠 베르그는 독특한 현상을 발견합니다. (베르너 하이젠베르크 1901~1976). 입자의 위치와 운동량은 동시에 정확하게 알 수 없다. 양자 역학의 근간의 불확실성의 원리입니다.

채은미: 별의 사진을 찍을 때, 별의 위치를 정확하게 찍고 싶다. 그러면 노출시간을 짧게 해서 정확한 별의 사진을 동그랗게 찍을 수가 있겠죠. 그러면 별이 여기 있구나 라고 위치는 정확하게 알 수 있지만 이 별이 어떤 속도로 움직이고 있는 가는 알 수 없죠. 하지만 반대로 이번에는 카메라의 노출시간을 길게 설정하면 별의 궤도가 이렇게 예쁘게 찍히게 되죠. 그러면 그 사진을 보고서 설정한 노출시간을 알고 그 궤적, 길이를 아니까 별의 속도를 계산할 수가 있습니다. 근데 반대로 이 궤적 중에 별이 있는 건 맞지만 이 궤적 안에서 어디에 별이 있다고는 할 수가 없죠. 이것처럼 제가 위치를 정확하게 측정하면 속도는 알 수가 없고 속도를 정확하게 측정하면 위치는 알 수 없다. 이게 불확정성 원리의 한 예라고 보시면 될 것 같습니다.

내레이션: 모든 것을 정확하게 계산하고 예측하는 학문이었던 이전의 물리학, 기존의 토대를 허무는 이 낯설고 기묘한 수학적 언어는 우리 학계의 엄청난 파장을 몰고 왔죠. (제5차 솔베이 회의 1927년 10월 벨기에 브뤼셀에서 열린 물리학 회의). 양자들의 존재를 어떻게 볼 것인가 세계의 천재들이 모여 논쟁을 시작합니다. 에르빈 슈뢰딩거 (1887~1961)와 닐스 보어를 비롯한 젊은 학자들은 아주 작은 존재들은 우리가 그것을 측정할 때 (막스 보른 1882~1970) 지름의 형태가 비로소 결정된다. (닐스 보어 1885~1962) 우리는 그것이 어떻게 무엇으로 발견될지 오로지 확률만 알 수 있다고 주장하죠. (마리 퀴리 1867~1934) 아인슈타인을 비롯한 고전 물리학파는 이를 강하게 부정했습니다. (알베르트 아인슈타인 1879~1955) (막스 플랑크 1858~1947). 하지만 결과는 보어의 판정승, 아인슈타인은 쓸쓸히 회의장을 나섰고, 후에 보어에게 이런 편지를 보냈습니다. 신은 주사위 놀이를 하지 않는다—알베르트 아인슈타인. 아인슈타인은 죽을 때까지 불확실성의 원리를 받아들이지 않았습니다. 그리고 100년이 흘렀습니다. 오늘날 우리가 누리는 첨단기술은 양자 역학에서 비롯됐고 일상에 깊숙히 뿌리내렸죠. 그리고 문명은 양자 역학을 이용한 제2의 도약을 준비하고 있습니다. (한국표준 과학연구원/대전광역시). 이 안에서 중성원자 큐비트가 만들어집니다. 최근엔 대규모 큐비트 운영을 위한 플랫폼 개발이 한창입니다.

문종철/한국표준 연구원 책임연구원: 여기 보이는 것들이 원자들의 배열인데요. 원자 큐비트죠. 원자를 우리가 원하는 위치에 잡고 거기에 레이저를 쏴서 정보를 조작하고 있는 그런 과정입니다. 그래서 여기 보이는 게 밝게 빛나면 1이고 빛나지 않으면 0이라고 생각하시면 될 것 같고 이미지를 통해서 0101001 이런 식으로 받아 들이고 있다. 측정하고 있다고 생각하시면 될 것 같아요.

내레이션: 지난 해 중성원자 원천기술 개발에 성공하며 한 발 가까워졌습니다.

문종철: 큐비트 개수는 중성원자 100개 정도 잡을 수 있고 그걸 또 얼마만큼 잘 제어하고 측정 할 수 있느냐 이 능력도 (양자 컴퓨터에) 비슷하게 중요하거든요. 측정 같은 경우는 우리가 현재 세계적인 수준에 있고요. 이걸 제어하고, 양자 연산에 활용하는 연구는 현재는 한창 개         발하고 있어요.

내레이션: 이 밖에도 다양한 큐비트 플랫폼을 연구합니다. 덕분에 우리나라 초전도 양자 컴퓨터도 20 큐비트의 벽을 넘었죠.

이용호/한국표준 과학연구원/초전도 양자컴퓨팀시스템 연구단장: 양자컴퓨팅은 우리나라에서는 전략기술이고 미국에서는 핵심신흥 기술이라고 정의하고 있거든요. 단순하게 하나의 장치 또는 제품의 개념을 떠나서 무기화가 될 수 있는 전략적인 중요성이 있기 때문에 우리나라에서 반드시 국산화해야 하는 의미가 있습니다 (손으로 장비를 가리키면서) 여기서 뚜껑을 열게 되면 이와 같이 속이 보이게 됩니다. 각종 선은 큐피유(QPU)에 신호를 입력하고 그 다음에 신호를 출력하고, 측정하기 위한 신호선이 되고 신호간섭을 없애기 위한 필터라든지 또는 신호를 증폭하기 위한 증폭기 등으로 구성이 됩니다. 예를 들면 한 300 큐비트, 1,000 큐비트 정도가 되면 (전체) 가격의 한 60% 정도를 이 속에 있는 부품들이 차지하게 됩니다. 이런 쪽에 국내 기업들이 충분히 참여할 기회가 있다는 거죠.

내레이션: 새로운 문이 열릴 때 누가 먼저 첫 발을 떼느냐가 중요합니다. 그 한 발이 게임의 판도를 바꿀 수 있죠. 이곳에선 다양한 양자컴퓨터의 플랫폼에 사용한 제어 장치와 측정장비를 만듭니다. 연산의 정확성과 속도를 높힐 핵심 장비죠.

윤지원/SDT 대표: 빛은 당연히 전 우주에서 가장 빠른데 이 빛이 먼저 도착했는지, 느리게 도착했는지 이런 것들을 알아야 하는데, 그게 정말 말 그대로 찰나의 순간에 있는 거고, 그런 찰나의 순간을 포착하기 위해서 이런 장비들을 만든 거죠. 전문가들은 양자 컴퓨터의 소재와 부품, 장비분야에서 새로운 생태계가 열릴 것이라고 전망합니다. 우리 회사가 모든 것을 다 생산하진 않거든요. 부품을 어디서 가져오고, 조립은 어디서 하고, 테스트는 어디서 하고, 이런 생태계가 나름 만들어져 있어요. 근데 그걸 했을 때, 정말 농담이 아니라 우리 회사가 있는 이 지역에서, 100km 안에서 모든 걸 다 해낼 수 있어요. 이 방식을 그대로 미국에 적용 할 수 있을까? 라고 하면 절대 불가능해요. 미국은 제조에는 재능이 없어요.

내레이션: 이미 강력한 반도체 클러스터를 구축해 온 대한민국, 제조 강국으로서 양자 산업에서도 경쟁력을 가질 수 있습니다.

이순칠: 양자 기술은 누구에게나 기회이자 위기가 될 수 있습니다. 그것은 국가도, 기업도, 개인도 그렇습니다. 국가도 지금은 힘이 있고, 경제력이 있는 국가들만 양자 기술을 개발하고 있는데 양자 기술이 개발되고 나면 차이가 더 벌어질 거고요. 그리고 이 기술이 상당히 먼 미래에 올 수 있는 기술이라고 생각했는데 최근에 기술 발전을 보면 얼마나 이것이 빨리 현실화 되고 우리에게 다가올 지 예측하기가 어렵습니다. (골든/미국 콜로라도 주).

내레이션: 이미 미래를 위한 준비가 시작됐습니다. 한 때 광산업으로 명성을 떨쳤던 콜로라도 주, 서부개발의 상징에서 양자공학의 메카로 거듭나는 중입니다. (콜로라도 마인대학교). 지하 200m 깊이에 갱도를 따라가면 지하연구소가 나옵니다. 양자 컴퓨터를 개발하고 실험하기에는 최적의 장소라네요.

바우더 반 더 폰셀르/콜로라도 마인대학교 물리학과 부교수: 양자 응용 프로그램에 맞춤형으로 설계된 아주 조용한 지하 환경에서 양자 장치가 얼마나 잘 작동하는지 실험하려고 합니다. 이를 통해 가까운 미래에 실제 응용이 가능한 단계로 진입할 수 있을 거예요.

내레이션: 양자 컴퓨터는 작은 소음이나 진동에도 오류가 생길 수 있습니다. 때문에 외부환경과 차단된 조용하고 안정된 이곳에 연구소를 세운 거죠. 콜로라도 마인대학은 2010년대 중반부터 양자 분야에 집중해 왔습니다. 2020년 부터 양자공학 대학원 프로그램도 신설했죠.

샘 세이터/콜로라도 마인대학교 학생: 특정한 결정구조를 살펴보고 있어요. 이 구조가 좋은 큐비트가 될 수 있을지 연구하죠. 큐비트의 판독과 측정은 모두 극저온 환경에서 이루어집니다.

내레이션: 학생들은 클린 룸에서 극저온 장치, 화학장비 등을 다루며 실무역량을 키웁니다. 양자 생태계의 기반을 넓히고 있죠.

미낙시 싱/콜로라도 마인대학교 물리학과 부교수: 지금까지 양자기술은 주로 물리학과 내에서만 다뤄졌습니다. 하지만 오늘날 양자기술이 직면한 많은 문제는 공학 문제 이거나 재료과학 문제 또는 그 밖의 응용이 필요한 문제입니다. 예를 들어 많은 사람들이 주목하는 신약 개발의 경우 생물학자들의 논의가 필요합니다. 그래서 양자 기술을 이해하고 양자 2.0 혁명을 이끌 수 있는 사람들의 범위를 확장하는 것이 반드시 필요합니다.

내레이션: 곧 거대한 물결이 다가올 겁니다. 아직은 잔잔해 보일지 모릅니다. 그러나 누군가는 이미 물밑의 흐름을 감지하고 조용히 그러나 치밀하게 준비하고 있습니다. 국내 한 벤처기업, 이곳에선 화학과 제약, 산업공학 분야에서 도입할 소프트웨어를 개발 중입니다. 얼마 전에는 150시간 이상 걸렸던 분자해석을 10분 내외로 해내는 알고리즘을 선 보였죠.

유필선/큐노바 직원: 1초 정도 양자컴퓨터를 사용한 거고, 결과가 바로 나왔고 굉장히 빠르게 계산해서 저희한테 결과를 내주거든요. 되게 단순해 보이는 분자 계산도 사실 CPU 개수로만 따지면 몇천 개에서 몇만 개가 될 수도 있어요. 컴퓨터의 경우에는 그런 비용을 따져보면 훨씬 더 저렴하고, 훨씬 더 빠르다고 볼 수 있을 것 같아요.

내레이션: 양자 컴퓨터는 이미 상용화에 들어갔다. 초월적인 연산 능력과 압도적인 처리속도, 인류 역사상 가장 혁신적인 도구가 우리 눈 앞에 있습니다.

이준구/큐노바 대표: 현재의 양자 컴퓨터(NISQ)에서도 양자 우위가 달성 될 수 있다는 걸 실제로 경험하고 불과 2, 3년 안에 산업화 할 수 있을 거라고 보고 있습니다.

내레이션: 빛이 있으면 그림자가 따르듯 진보하는 기술에는 두 얼굴이 존재합니다. 양자 컴퓨터는 지금의 암호 체계를 무너뜨릴 수 있습니다. (유럽 대규모 정전 사태-지난 4월 유럽 스페인과 포르투갈에서 대규모 정전 사태가 발생해 교통과 통신 등 사회기본 시설이 마비되면서 큰 혼란이 빚어졌다). 지난 4월 유럽을 덮친 대규모 정전 사태, 사람들은 암흑 속에서 인류문명의 중단을 느껴야 했죠. (SKT해킹 사태-국내 이동통신사의 서버 시스템이 지난 4월 해킹을 공격받아 가입자들의 유심(USIM-가입자 식별 관련정보)이 대규모로 유출됐다). 양자 기술이 가진 무한한 연산능력으로 기존의 암호체계가 무력화된다면 이런 일은 언제든 반복될 겁니다.

이순칠: 양자 컴퓨터가 나오면 암호를 다 깰 수 있거든요. 그러니까 제가 어느 기업의 기밀 자료를 빼왔다 그러면 빼오기도 어렵지만 빼 와도 읽을 수가 없잖아요. 그런데 미국에서는 Harvest Now, Decode (Decrypt) Later, 일단 훔쳐 온 다음에 가지고 있다가 양자 컴퓨터가 나오면 그때 읽으면 된다. 그러니까 10년 후까지 가지고 있으라는 거죠. 모든 기업이 기업 비밀이 있으면 양자 컴퓨터의 영향을 받지 않을 수가 없죠. (서울).

내레이션: 양자 컴퓨터의 잠재력에 가장 민감한 금융업계가 모였습니다. (Quantum Computing in Finance). 금융산업에서의 양자컴퓨팅 활용포럼 (Quantum Computing in Finance Forum).

강사: 양자 컴퓨터 상태계에 소개된 아주 많은 양의 공격요소가 있어요 여기 보시면 그 많은 공격 요소 중 몇 가지를 설명하고 있는데요.

내레이션: 사실 이들의 우려는 기우가 아닙니다.

조지오스 코파스/HSBC 혁신 및 벤처부선임 양자리서치과학자: 연구에 따르면 평균적으로 26%의 확률로 RSA(공개키 암호화 방식)가 2035년도까지 침해된다고 예상합니다. 어제 스페인과 포르투갈의 전력 시설에 대규모 문제가 발생해서 24시간 넘게 전기를 쓸 수 없었죠.

내레이션: 현재 각국에서 양자 대상 암호도입을 추진 중입니다. 양날의 검이 된 양자 컴퓨터, 만능 열쇠가 될 지 아직 지켜볼 뿐입니다. (연세대학교/인천 송도국제도시). 분명한 건 양자시대가 오고 있다는 것이다. 국내 최초 127큐비트 양자 컴퓨터를 설치한 연세대학교, (연세대학교 양자컴퓨터-상용화 된 양자컴퓨터 중 최고 성능으로, 지난 해 11월 연세대학교에서 도입, 우리나라는 세계 다섯번 째 양자 컴퓨터 도입국이 됐다). 신약개발과 신소재 연구 등에 활용되고 있습니다. 인류의 상상을 뛰어넘는 혁신, 하지만 무한한 잠재력을 끌어내려면 반드시 넘어야 할 산이 있습니다.

채은미: 신약 개발이라든가 정말 어려운 문재를 범용적으로 풀기 위해서 큐비트 오류를 보정해 가면서 충분한 횟수의 양자 연산을 가능하게 하는 큐비트 숫자를 보통 1만 큐비트를 많이 이야기 하곤 합니다. (샌프란시스코/미국 캘리포니아 주).

내레이션: 불확실성의 항로에 이정표가 등장했습니다. 지난 해 말 한층 진보된 형태의 양자 칩, 엘로우를 선보인 구글,

줄리안 켈리/구글 퀀텀 AI양자 컴퓨팅 책임자: 결과는 놀라웠습니다. 윌로우는 5분도 안 걸릴 연산이 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로는 10의 25제곱 년 걸립니다. 1에 0이 25개 붙는 숫자인데, 즉 우주의 나이보다 훨씬 오래 걸린다는 거죠.

내레이션: 놀라운 계산 능력보다 주목 받은 건 획기적인 오류 정정 기술, 세계 최고 수준의 인프라와 탁월한 연구진의 합작품이었죠.

카리나 차우/구글 퀀텀 AI최고 운영책임자: 저희는 처음 (새로운 방법으로) 큐비트를 늘였어요. 이번 윌로우 칩에서는 더 많은 큐비트를 서로 보호막처럼 넣었어요. 한 마디로 중복해서 정보를 저장하게 한 거예요. 이렇게 해서 서로를 보호하며 양자정보를 보존할 수 있게 한 거죠. 이건 30년 넘게 이 분야에서 풀지 못했던 오래된 난제였고요. 실생활에서 양자컴퓨터를 활용하려면 꼭 해결해야 할 문제였어요.

내레이션: 큐비트는 오류 정정이 되게 어렵습니다. 오류를 확인하는 순간, 중첩상태가 깨지기 때문이었죠. 오류 정정기술의 개발로 또 하나의 산을 넘었습니다. 이제 양자컴퓨터는 실제 산업에 적용 가능한 수준으로 발전하고 있습니다.

카리나 차우: 처음 연구가 시작된 건 2012년 인데요. 그 당시에는 사실 큐비트가 몇 개밖에 없었어요. 칩을 설계해도 1큐비트 혹은 몇 개 정도 밖에 안 됐죠. 그런데 지금은 우리 팀이 놀랍게도 큐비트 105개를 동시에 작동시키는데 성공했고 오류발생률도 예전보다 수십 배 낮아졌고요. 매일 매일 계속 발전을 이뤄나가고 있다는 사실이 정말 놀라워요. (SEEQC/미국 뉴욕주).

내레이션: 양자 컴퓨터를 상용화하기 위한 노력은 다양한 방식으로 이루어집니다. 양자 컴퓨터가 제대로 작동할 수 있도록 큐비트를 제어하고 판독하고 오류까지 정정할 수 있는 장비를 개발 중이죠.

슈젠 한/SEEQC 최고기술 책임자: 이 칩을 구동하기 위해 이렇게나 많은 상온 전자 장비들이 있죠? 칩을 늘리려면 이 모든 상온 전자 장비 또한 늘려야 합니다. 그래서 저희의 해결 방안은 이 많은 상온 전자 장비들을 칩의 형태로 통합하는 거예요.

내레이션: 하나의 칩으로 장비들이 통합된다면 비용과 에너지가 크게 줄어들 겁니다. 업계는 이미 내일을 준비합니다. 양자 컴퓨터 상용의 시대가 곧 올 거라 믿기 때문이죠.

존 레비/SEEQC CEO: 이제 완전히 새로운 유형의 컴퓨터가 등장하면서 새로운 생태계가 만들어집니다. 운영체제 기업들, 애플리케이션 기업들, 클라우드 기업들, 시스템 기업들, 데이터 센터 사업자들 까지 저는 세계 여러나라가 이 기회를 충분히 인식하고 있다고 생각해요. 적대적인 경쟁자는 논외로 하더라도 만약 어떤 나라가 기술적으로 우위를 점하고 있다면 어떻게 될까요? 정말 좋은 질문이에요. 새로운 기회의 문을 열 수 있어요.

내레이션: 작은 불꽃에서 출발한 인류의 문명은 언제나 새로운 도구를 찾는 여정이었습니다. 지금 필요한 건 무엇을 생각하느냐가 아닌 어떻게 생각하느냐 입니다. 인류의 두번 째 문명이 시작됐습니다. 끝. (KBS 다큐인사이트 226회 양자 역학 100주년 기념퀀텀 두번 째 불의 발견 양자 컴퓨터에서 정리).