태양에서 양자까지―최종회

제 5강 양자 컴퓨터

듣기 좋은 꽃 노래도 한두 번 이라는 속담이 있습니다.

양자 컴퓨터는 날로 달로 급변하면서 그 실체를 나타내고 있습니다. 오늘 정보가 다르고 내일 정보가 다릅니다. 우리나라 양자컴퓨터 Start-up 개발 업체는 때로는 밤을 새면서 새로운 도전을 하고 있습니다.

필자는 2025년도에 2 차례에 걸쳐 총 아홉 꼭지로 *반도체, AI 및 양자 컴퓨터*를 강의한 바가 있습니다. 그 강의를 보신 분은 듣기 좋은 꽃 노래를 환기하실 것입니다.

양자 컴퓨터는 날로 달로 달라지게 개발되고 있습니다.

이번 양자 컴퓨터 강의는 우리나라 중심으로 엮어서 올립니다.

양자 컴퓨터는 *무엇을 할 것인가*와 *어떻게 할 것인가*의 문제입니다. 무엇은 양자의 물성에 관한 것입니다. 어떻게는 양자 컴퓨터의 제작에 관한 것입니다.

1. 무엇을 할 것인가

양자의 물성에 대하여 닐스 보어(Niels Bohr)를 중심으로 하는 *양자 역학 물리학자파*와, 아인슈타인을 중심으로 하는 *고전 역학 물리학자파*가 대립하였습니다. 『신은 주사위를 던지지 않는다』고 말한 아인슈타인의 말처럼, 아인슈타인은 양자의 물성 중에서 *양자 얽힘*을 죽을 때까지 이해 못했습니다.

무슨 소린가요?

양자의 정체와 양자 역학은 이제는 그야 말로 듣기 좋은 꽃 노래 입니다. 그렇지만 *양자 중첩, 양자 얽힘, 양자의 불확정성* 등 들어도 무슨 소리 인지 모르는 말들만 잔뜩 설명하는 것이 양자 역학 입니다.

이 중에서 아인슈타인처럼 가장 이해하기 어려운 것을 하나 꼽으라면 단연 *양자 얽힘(Quantum Entanglement)* 입니다.

그림으로 설명하면 좀 쉽게 이해를 할 수가 있습니다.

양자 2개를 얽히게 하여 하나는 지구에 두고 하나는 화성에 보내는 우주 개발 프로젝트를 미국이 추진하고 있습니다. 화성 표면을 움직이면서 환경을 측정하는 로봇이 있는데, 그 로봇과 미국 NASA 간의 통신에는 3~4분 정도의 시차가 있다고 합니다.

절벽 주행처럼 위급한 상황에서 지구에서 관측하여 주행 정보를 화성 로봇에게 보내더라도, 도달하기 전에 이미 절벽 아래로 떨어질 위험이 있다는 것입니다.

이런 과제를 해결하는 길은 양자 얽힘에서 찾을 수 있습니다.

NASA의 양자 컴퓨터와 얽히게 한 다른 컴퓨터를 인공위성에 장착하여 화성에 보내면, 이 두 컴퓨터는 실시간 똑 같은 정보를 주고 받는다는 것입니다.

이런 수수께끼 같은 입자가 바로 양자 얽힘으로 존재하는 양자입니다. 이해를 못하는 것이 당연합니다.

2. 어떻게 할 것인가?

양자의 물성 중에서 가장 요긴하게 활용하는 것은 바로 *양자 중첩*입니다. 또한 양자는 원자 내에서 *확률적*으로 존재합니다. 동시에 *양자 스핀(Quantum spin)*이라는 물성도 가지고 있습니다. 양자 스핀은 북쪽과 남쪽을 가리키는 성질 입니다.

이런 양자 스핀의 북쪽을 *큐비트 0*에 대응시키고, 남쪽을 *큐비트 1*에 대응시켜서 양자 정보를 처리합니다. 큐비트가 중첩되어 확률적으로 존재하다가, 관측을 하면 북쪽이나 남쪽으로 깨어져 나타납니다. 그 확률적 수치가 북쪽에 가까우면 북쪽을 가리키고, 남쪽에 가까우면 남쪽을 가리킵니다.

AI가 GPU에서 비트 0과 비트 1을 처리(연산)하는 것과 같은 원리 입니다. 그러나 AI는 중첩되지 않고 비트 0과 비트 1로 구분되는 성질입니다.

양자의 원자 내 확률적 존재 참으로 이해하기 어려운 물성입니다. 쉽게 이해할 수 있는 길이 없을까요?

그림으로 설명합니다.

양자는 블로흐구 상에 확률로서 존재 합니다. Y축을 기준으로 북쪽은 큐비트(QuBit) 0에 수렴하고 그 남쪽은 큐비트 1에 수렴합니다. 양자 측정 시 북극과 남극은 단 한번에 결정되고, 그 이외의 경우는 여러 번 측정하여 그 산술 평균이 충분히 북쪽이나 남쪽에 수렴할 경우에 *큐비트 0* 또는 *큐비트 1*로 결정됩니다.

이해하기 좀 쉬운 경우를 설명합니다.

기상청은 하늘과 지상의 정보를 종합하여 일기 예보를 합니다. *초겨울 눈이 올지 비가 올지를 판단하여 일기예보*를 합니다. 이 경우 *기상 정보는 눈이 올 확률과 비가 올 확률이 중첩*되어 있습니다. 이런 물성을 양자의 확률적 존재와 대비할 수가 있습니다. 또한 *그 확률은 눈이 올 가능성과 비가 올 가능성이 중첩*되어 있는 것입니다. 눈이 올 확률이 높으면 *눈 예보*를 하고, 비가 올 확률이 높으면 *비 예보*를 합니다.

일기예보와 양자 관측은 닮은 데가 있는 것입니다. 단 한방으로 확률과 중첩을 설명했습니다.

양자 관측을 이용하여 양자 컴퓨터를 만듭니다. 물론 다른 물성도 적용합니다.

3. 미국은 무엇을 할 것인가에 강하고, 우리나라는 어떻게 할 것인가에 강합니다.

미국이 세계 양자 컴퓨터를 선도하고 있습니다. IBM은 *1,000 Qubit Willow 양자 컴퓨터*를 개발 했다고 발표 하였습니다. 양자 컴퓨터는 *양자 중첩의 성질을 이용하여 병렬적으로 연산*을 합니다.

AI는 한 번에 한번씩 연산을 합니다. 예를 들어서 10의 20승을 계산하는 경우에 AI는 20번의 계산을 해야 합니다. 그러나 양자 컴퓨터는 병렬 연산 즉 단 1번의 연산으로 정답을 냅니다. AI는 10의 50승의 경우 천문학적 연산을 해야 하고, 양자 컴퓨터는 단 한번으로 답을 냅니다.

또 다른 설명을 봅니다. 미로 찾기 게임이 있습니다. 그 미로 입구에 쥐를 넣으면, 그 쥐는 여러 길을 찾아 헤매다가 종국에는 출구를 찾아냅니다. 그러나 엄청난 시도를 해야만 마지막에 출구를 찾는 것입니다.

이번에는 그 미로에 구름을 덮습니다. 구름이 흘러 나오는 곳을 역으로 뒤집어 가면 그 것이 정답입니다. 병렬 연산이란 구름을 덮는 것처럼 단 몇 번 만에 정답을 내는 것입니다.

양자 컴퓨터가 누구나 싸고 쉽게 사용되는 길은 일반화된 상용화가 되어야 합니다.

현재는 대형 고액의 양자 컴퓨터만 개발되어 있습니다. 크기도 아주 크고 구조도 복잡하며 제조 원가도 수천억 원 정도 입니다. 양자 물성을 나타내는 구조 만드는데 엄청나게 많은 장치와 거액의 자금이 소요되기 때문입니다.

노트북이나 스마트폰처럼 일반화가 되는 아주 길이 멉니다.

미국이 어째서 양자 컴퓨터를 선도 할까요?

미국은 구글 아마존 등 AI 공룡 컴퓨터 회사들이 양자 컴퓨터를 선도하고 있습니다. 그러나 미국은 설계에는 강하지만 구체적으로 양자 컴퓨터 Hardware를 제조하는 데는 약합니다.

제조는 우리나라가 단연코 강합니다.

어째서 그런가요? 그림으로 봅니다.

우리나라 양자 컴퓨터 개발 Block & Zone은 반경 100km 이내에 모두 다 모여 있습니다. 양자 컴퓨터 1대 조립에는 수백~수천 가지 부품이 들어 갑니다. 오늘도 우리나라 양자 컴퓨터 Star-up 회사들은 좀 더 쉽게 작동하고 값싸게 만드는데 온 힘을 경주하고 있습니다.