양자컴퓨터의 미래

저명한 이론물리학자이자 세계적인 베스트셀러 작가 미치오 카쿠가 양자컴퓨터의 역사와 원리, 힘과 가능성을 특유의 유려하고 명쾌한 문체로 흥미진진하게 풀어낸다.

"새로운 혁명의 시대가 다가오고 있다"
미래를 약속하는 양자컴퓨터의 힘과 가능성
《평행우주》 《마음의 미래》 미치오 카쿠가 그려낸 양자 시대의 전망

양자컴퓨터 관련 뉴스가 하루가 멀다하고 들려온다. 그만큼 투자와 개발 경쟁이 치열하다는 소리다. 우리나라도 2035년까지 민관 합동으로 양자과학기술 육성에 3조원을 투자하겠다고 밝혔다. 양자컴퓨터가 무엇이고 현재의 디지털 컴퓨터보다 얼마나 더 좋길래 구글, 마이크로소프트, IBM, 인텔 등 전 세계 주요 테크기업과 국가 연구소들이 양자컴퓨터 개발에 전력하는 것일까? 양자컴퓨터가 그토록 강력한 까닭은 무엇일까? ‘양자컴퓨터’를 이해하기가 어려운 이유는 그 단어를 이루고 있는 ‘양자(역학)’와 ‘컴퓨터’ 또한 만만한 개념이 아니기 때문이다. 물리학자들이 ‘모든 것은 양자’라고 하고, 현대문명에서 이루어지고 있는 우리의 일상이 컴퓨터 없이는 돌아가지 않는다고 해도, ‘양자’와 ‘컴퓨터’ 각각의 개념과 원리, 역사를 쉽게 설명하는 것은 보통 일이 아니다. 그런데 둘을 합친 ‘양자컴퓨터’의 개념과 그 잠재력을 쉬운 언어로 설명하는 일이 가능할까?
“복잡한 과학 개념을 일반 독자가 이해할 수 있는 언어로 번역하는 것은 예술이라고 할 수 있다. 뉴욕시립대 물리학 교수인 카쿠는 그 최고의 전문가 중 한 명이다”라는 〈커커스리뷰〉의 말처럼, 미치오 카쿠는 세계적인 이론물리학자이면서 어려운 과학 지식을 여러 방송 프로그램에서 쉽고 흥미진진하게 풀어내는 과학 엔터테이너이다. 또한 그는 어려운 이론물리학의 세계를 롤러코스터를 타듯 재미있게 풀어낸 《초공간》, 《평행우주》, 《단 하나의 방정식》, 과학적 사실에 기반하여 미래의 모습을 예견한 《불가능은 없다》, 《미래의 물리학》, 《마음의 미래》, 《인류의 미래》 같은 베스트셀러를 출간한 저자이기도 하다. 그런 카쿠 박사가 새로 쓴 책의 주제가 바로 ‘양자컴퓨터’이다. 《양자컴퓨터의 미래》는 양자컴퓨터의 기본 개념, 역사와 종류, 개발을 둘러싼 치열한 경쟁, 양자 시대로의 전환을 위해 필요한 돌파구, 마침내 펼쳐질 환상적인 미래까지, 인류의 문명을 도약시킬 양자컴퓨터의 힘과 가능성을 경쾌하고 깔끔한 문체로 눈앞에 실감나게 그려낸 책이다. 독자들은 저자 특유의 단순하면서도 정확한 설명과 비유를 통해 ‘양자역학’과 ‘컴퓨팅’의 기본 지식은 물론 현재 물리학, 생물학, 의학 등 인류의 삶과 밀접한 관련이 있는 각 과학 분야에서 어떤 연구들이 이루어지고 있으며, 양자컴퓨터가 어떻게 기여할 수 있는지를 두루 알게 될 것이다.

궁극의 컴퓨터가 온다!
양자컴퓨터를 이해하기 위한 단 한 권의 책

미치오 카쿠는 이 책에서 양자컴퓨터가 기존의 디지털 컴퓨터를 능가할 수 있는 영역으로 다음 네 가지를 든다. 1)검색 능력. 저자가 말하는 양자컴퓨터의 주특기는 ‘건초더미에서 바늘 찾기’이다. 양자컴퓨터는 방대하고 혼란스러운 데이터에서 핵심만 추출하여 중요한 결론을 도출할 수 있다. 2)최적화. 양자컴퓨터는 수많은 변수를 계산하여 폐기물, 업무효율, 수익 및 비용, 제조공정 등 산업계의 특정 요소를 최대화, 또는 최소화하는 데 탁월하다. 3)시뮬레이션. 날씨 예측이나 신약 개발처럼 복잡하거나 시간이 너무 오래 걸리는 실험은 양자컴퓨터를 이용한 가상실험으로 대체할 수 있다. 기존의 디지털 컴퓨터로 카페인 같은 단순한 분자가 형성되는 과정을 시뮬레이션하려면 10^48비트의 정보가 필요한데, 이 수는 지구를 구성하는 총 원자 개수의 10퍼센트에 해당한다. 아무리 좋은 디지털 컴퓨터라 해도 불가능한 수치이지만 양자컴퓨터에게는 식은 죽 먹기이다. 4)인공지능과의 결합. 미래 기술을 이야기할 때 빼놓지 않고 등장하는 것이 인공지능인데, 이 분야는 이론적 기초가 세워졌음에도 불구하고 디지털 컴퓨터의 한계에 부딪혀 발전이 지지부진한 상태이다. 특히 인공지능은 실수를 통해 발전하는 기능이 있지만 계산 능력은 좀 떨어지고, 양자컴퓨터는 막강한 계산 능력이 있지만 실수를 통해 배우는 기능은 없어서 서로의 단점을 보완해줄 수 있다.
양자컴퓨터가 디지털 컴퓨터와 가장 크게 다른 점은 연산의 기본단위이다. 디지털 컴퓨터의 기본단위가 0 아니면 1의 이진법 ‘비트’인 반면, 양자컴퓨터는 양자역학의 ‘중첩(superposition)’ 개념을 이용하여 0과 1을 ‘동시에’ 다룰 수 있는 ‘큐비트’를 기본단위로 사용한다. 양자컴퓨터가 그토록 강력한 연산 능력을 발휘하는 까닭이 바로 여기에 있다. 중첩 외에도 얽힘(entanglement), 경로합(sum over paths), 터널효과(tunneling) 등 양자컴퓨터를 가능하게 만드는 양자이론의 기이한 특성들에 관해 저자는 아인슈타인을 비롯하여 앨런 튜링, 리처드 파인먼, 막스 플랑크, 에르빈 슈뢰딩거 등 유명 과학자들의 일화와 나침반이 달린 장난감 기차, 미로 속의 쥐, 커플을 맺어주는 중매인 등 이해하기 쉬운 비유를 곁들여 막힘없이 설명한다. 카쿠 박사의 이야기를 정신없이 따라가다 보면 어느새 ‘양자역학’과 ‘컴퓨팅’은 물론 ‘양자컴퓨터’가 무엇이며 양자컴퓨터 개발의 발목을 붙잡는 가장 큰 장애물이 무엇인지(큐비트를 구성하는 원자들이 일제히 같은 모드로 진동하도록 배열되어야 하는데, 외부의 불순물이나 교란이 조금이라도 개입되면 결맞음 상태가 깨져버린다)까지, 양자컴퓨터에 관한 이해의 폭을 넓힐 수 있을 것이다.

빅테크 기업에서 스타트업까지
불붙은 경쟁, 양자컴퓨터의 종류

그렇다면 양자컴퓨터의 종류에는 어떤 것들이 있으며 각각의 디자인은 어떤 장단점이 있을까? 저자는 “0과 1이라는 상태가 중첩되고 얽혀서 정보를 처리하는 시스템은 모두 양자컴퓨터가 될 수 있다”고 단언한다. 따라서 양자컴퓨터의 기본 설계도 여러 가지로 나오는데, 우리나라도 공동연구를 통해 2023년 10월 세계 최초로 ‘전자스핀’을 이용한 큐비트를 개발하여 세계의 주목을 받았다. 이 책에 제시된 양자컴퓨터의 종류를 간단히 살펴보면 다음과 같다.
1) 초전도 양자컴퓨터: 현재 양자컴퓨터의 기준이라고 할 수 있다. 구글의 시카모어와 IBM의 이글, 오스프리가 이에 해당한다. IBM은 2023년 12월 초 1121큐비트짜리 양자컴퓨터 콘도르도 공개했다. 디지털 컴퓨터 산업계에서 이미 개발해놓은 기술(집적회로)을 사용할 수 있다는 점이 장점이지만, 양자적 계산을 수행하기 위해 초전도 상태를 유지하도록 만들기가 무척 어렵다는 문제가 있다.
2) 이온 트랩 양자컴퓨터: 아이온큐, 허니웰을 비롯한 몇몇 기업들이 선도하는 양자컴퓨터이다. 전기적으로 중성인 원자에서 전자 몇 개를 떼어내면 양전하를 띤 이온(양이온)이 되는데, 이온은 전기장과 자기장으로 만든 덫(트랩)에 가둬놓을 수 있다. 이렇게 가둔 이온들은 결맞음 상태의 큐비트처럼 동일한 모드로 진동하게 되고, 이들에게 마이크로파나 레이저를 쏘면 스핀이 뒤집히면서 원자의 상태를 바꿀 수 있다. 초전도 양자컴퓨터와는 다르게 결맞음 시간도 길고, 극저온이 아니어도 정상적으로 작동하나 큐비트를 추가할 경우 전기장과 자기장을 미세하게 조정해야 한다는 어려움이 있다.
3) 광양자컴퓨터: 전자 대신 레이저빔을 이용하는 양자컴퓨터로, 중국과학기술대학교의 양자컴퓨터 ‘지우장’과 캐나다의 양자컴퓨팅 기업 ‘자나두’가 유명하다. 광기반 양자컴퓨터는 빛이 두 가지 이상의 방향으로 진동하는 특성(편광)을 이용한다. 광자에는 전하가 없기 때문에 전자와는 다르게 주변 환경을 영향을 거의 받지 않고, 상온에서도 작동한다는 장점이 있으나 시스템이 복잡해질수록 큐비트를 생성하기가 어렵고, 부품을 재배열하는 데 시간이 꽤 걸린다는 단점이 있다.
4) 실리콘 광양자컴퓨터: 미국의 스타트업 프사이퀀텀(PsiQuantum)이 개발 중인 양자컴퓨터로, 반도체인 실리콘의 이중적 성질을 활용한다. 실리콘은 트랜지스터로 가공되어 전자의 흐름을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 특정 적외선과 상호작용을 하지 않기 때문에 빛을 전달하는 매개체로 사용할 수 있다. 이런 이중적 특성을 이용해 여러 개의 광자를 얽힌 상태로 만들 수 있는 것이다. 단기간에 기업 가치가 31억 달러로 급등한 프사이퀀텀은 금세기 중반까지 실용적으로 쓸 수 있는 100만 큐비트짜리 양자컴퓨터를 만들겠다고 선언했다.
5) 위상 양자컴퓨터: 인위적으로 끊지 않는 이상 도넛 모양이 유지되는 것처럼, 어떤 특별한 위상수학적 조건이 유지되면 양자컴퓨터는 상온에서 안정적으로 작동할 수 있다. 물리학자들은 오랫동안 온도와 관계 없이 위상이 보존되는 물리계를 찾으려고 애를 써왔다. 2018년 네덜란드의 델프트공과대학에서 이런 특성이 있는 물질을 발견했다고 발표하였으나 이후 면밀한 검토를 거쳐 논문을 철회하였다. 하지만 다른 물질들도 활발히 연구되고 있으므로 가능성은 열려 있다고 해야 할 것이다.
6) D-웨이브 양자컴퓨터: 캐나다에 본사를 둔 기업 디웨이브시스템의 양자컴퓨터이다. 초전도체에 흐르는 전류가 최저에너지 상태에 도달할 때까지 전기장과 자기장을 조절함으로써 데이터를 최적화시킨다. ‘최적화’ 문제에 있어서 가장 뛰어난 성능을 보여주기 때문에 록히드마틴, 폭스바겐, 로스앨러모스 국립연구소, NASA 등이 주요 구매자다.

기후변화, 식량과 에너지 문제, 난치병과 노화 등
인류의 중요한 문제 해결에 기여할 양자컴퓨터

지난 수십 년 동안 18개월마다 컴퓨터의 성능은 두 배씩 향상된다는 ‘무어의 법칙’에 따라 전성기를 구가했던 마이크로 프로세서의 위세는 점차 약화되는 추세이다. 컴퓨터의 성능은 마이크로칩에 들어가는 트랜지스터의 수에 거의 비례하는데, 동일한 면적에 더 많은 트랜지스터를 넣기 위해 트랜지스터 사이의 간격을 지금보다 더 작게 하면 하이젠베르크의 ‘불확정성 원리’에 의해 위치가 불확실해진 전자들이 회로를 단락시키거나 과도한 열을 발생시킬 수도 있다. 다시 말해 디지털 컴퓨터에 ‘무어의 법칙’이 더 이상 적용되지 않는 날이 오는 것은 필연이라는 뜻이다. 저자는 우리가 “실리콘 시대의 종말을 목격하는 산 증인이 될 것”이라고 말한다. 이렇게 저물어가는 디지털 컴퓨터를 대체할 강력한 도구가 바로 원자의 양자적 특성을 십분 활용하여 지구온난화를 막고, 식량과 에너지 문제를 해결하고, 난치병의 치료법을 찾는 등 인류가 직면한 중요한 문제들을 해결하는 데 결정적인 기여를 할 양자컴퓨터이다. 저자는 우주를 통째로 시뮬레이션할 정도로 막강한 연산능력을 갖춘 양자컴퓨터가 우리의 삶에 일대 혁명을 불러올 차세대 컴퓨터로 부족함이 없으며, 나아가 생명과 우주의 비밀을 푸는 데에도 큰 역할을 할 것으로 기대하고 있다.
세계적인 빅테크 기업들은 물론이고 신생 스타트업, 각국의 정부까지 발벗고 나서서 양자컴퓨터에 엄청난 금액을 투자하고 있는 것은 양자컴퓨터의 힘과 가능성이 그만큼 어마어마하기 때문이다. 이 책에 따르면 양자컴퓨터는 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 고부가가치 물질로 만드는 탄소 재활용 기술이나 인공광합성을 구현하는 데에도 돌파구를 마련할 수 있고(7장), 비료생산의 생물학적 과정을 낱낱이 풀어서 제2의 녹색혁명으로 식량문제를 해결해줄 수도 있다(8장). 또 수백만 건에 달하는 실험을 효율적으로 빠르게 수행하여 슈퍼배터리 혁명을 앞당기는 데 결정적인 기여를 할 것이다(9장). 나아가 어렵기로 소문난 '단백질 접힘'의 비밀을 풀어서 알츠하이머와 운동신경 질환, 파킨슨병 등 난·불치병의 치료법을 개발하는 데에도 핵심적 역할을 할 것으로 기대된다(10~13장). 날씨를 예측하고 대체에너지를 개발해 화석연료 의존도를 낮춰 지구온난화를 막는 일에도 커다란 도움을 줄 수 있으며(14장), 방사성 폐기물 없이 청정에너지를 무한정 생산할 수 있는 핵융합발전을 실현해줄 강력한 후보이기도 하다(15장). 저자는 표준모형을 넘어서는 ‘만물의 이론’을 구축하는 데 양자컴퓨터가 어떻게 쓰일 수 있는지 알아본(16장) 후 지금까지 살펴본 내용을 모두 엮어 양자과학기술이 펼칠 미래의 모습, 2050년의 일상을 소설 형식으로 생생하고 재미있게 그려낸다(17장).
현재의 암호 체계를 무력화시키는 등 양자컴퓨터와 관련한 문제들에 대하여 카쿠는 그 위험성을 경고하면서도 ‘모든 과학기술에 나타나는 부작용 중 하나일 뿐’이라며 시종일관 낙관적이고 긍정적인 미래관을 보여준다. 책을 읽다보면 기술이 인간에게 이롭게 쓰이길 진심으로 바라는 노과학자의 바람에 동화될 수밖에 없다. 출간 후 〈가디언〉과의 인터뷰에서 그는 이렇게 말했다. “대중을 위한 책을 쓰는 목적은, 사람들이 기술의 미래에 대해 제대로 알고, 합리적이며 현명한 결정을 내릴 수 있도록 하기 위해서이다. 기술이 일반인이 이해할 수 없을 정도로 복잡해지면 도덕적 나침반이 없는 사람들이 그 기술의 방향을 결정하게 되므로 큰 문제가 발생한다." 여든을 바라보는 나이에도 여전히 열정과 호기심, 긍정적인 태도가 넘치는 미치오 카쿠의 《양자컴퓨터의 미래》는 양자과학기술로 구현될 양자 시대로 독자들을 안내할 것이다.