나노(nano)의 동네

나노의 동네

노나 공부하나 마찬가지다. 어느 대학의 응원가 한 구절인데, 원래 가사를 약간 비틀어 부른 것입니다. 과연 노나 공부하나 마찬가지 일까요?

그 해답을 찾아갑니다.

노나를 뒤집으면 나노(nano)가 됩니다. Nano m는 십억분의 1 미터입니다. 나노는 난쟁이라는 고대 그리스어 Nanos에서 유래했습니다.

태양계에서 가장 강한 빛 턔양광은 전자기파 입니다. 열과 더불어 번져나가는 태양광 전자기파는 37억년 동안 지구를 비추고 있습니다(지구의 나이, 태양의 나이는 45억년).

전자기파는 파동입니다.

파동의 길이는 사인 곡선으로 뻗어나가는 파형에서 계산합니다. 출발점에서 상향 파동으로 올라가다가 정점(Peak)에서 내려와 원점에 다다르면, 다시 하향 파동을 이루고 그 정저(Trough)에서 되올라와서 출발점에 이르는 길이를 파장 1이라고 합니다.

전자기파는 파장의 길이로 분류합니다. 짧은 순으로 감마선, 엑스선, 자외선, 가사광선, 적외선, 전파의 순으로 나뉘게 됩니다.

그 중 인간의 눈으로 볼 수 있는 가시광선의 파장은 400에서 700 나노미터 구간입니다. 자외선 이하나 적외선 이상의 전자기파는 인간의 눈으로는 감지할 수가 없는 것입니다.

가시광선이 물체를 비추면 그 물체의 고유빛에 해당하는 빛깔의 파동은 반사하고, 나머지 빛깔의 파동은 흡수를 합니다. 가시광선은 빨주노초파남보 7 색깔 입니다. 가시광선이 물체를 비추면 우리의 눈과 두뇌는 그 물체 반사파의 색과 형체를 감지(感知)하는 것입니다. 장미꽃은 빨강색으로 맑은 창공은 푸른색으로 감지합니다.

Nano 단위의 물체나 물질을 다루는 기술을 나노기술 이라고 합니다. 대표적인 것이 반도체 기술입니다.

반도체는 실리콘(Si) 물질을 다루어 전기가 통하게 하여서, 디지털 논리회로를 만드는 데 사용됩니다. 반도체는 컴퓨터, 인공지능, 양자컴퓨터 등의 소재로 사용됩니다.

그 반도체 소재를 사용하여 컴퓨터 논리회로를 만듭니다. 논리회로는 전기가 흐르는 길 Bus로 전류를 받아서, 트랜지스터로 만든 게이트(Gate) 라는 논리처리 장치에서 숫자 0과 1을 생성해내는 회로를 말합니다.

트랜지스터에 5볼트 전압을 걸면 1을 의미하고, 0볼트를 걸면 0을 의미하는 원리로 1과 0의 신호(Sign)를 생성하는 게이트를 만듭니다.

신호 1을 비트(Bit) 1이라 하고, 동 0을 비트 0이라 합니다. 비트 1과 0은 논리회로의 부호(Code)로 사용됩니다. 이 코드를 사용하여 컴퓨터가 일(Task)을 하게 만듭니다. 그 일하는 방법과 절차를 알고리즘(Algorithm) 이라고 하고, 알고리즘을 적절히 연결하여 일의 프로세스를 만드는 업무를 프로그래밍(Programing) 이라고 부릅니다. (일 > 프로세스 > 알고리즘 > 프로그램)

반도체 논리회로 장치는 나노 크기로 작고 얇게 만들 수가 있습니다. 나노 크기란 반도체 IC 장치 상 논리회로 하나의 굵기를 말합니다. 그 얇디 얇은 나노 반도체를 여러 개 집적(쌓아올림) 시켜서 집적회로(Integrated Circuit, IC)를 만듭니다. 몇 십억 개를 집적할 수도 있습니다.

반도체 IC의 주도적 제조업체는 대만의 TSMC와 삼성전자입니다. 컴퓨터의 IC는 시스템(운영체제) 반도체와 메모리(기억) 반도체로 크게 나뉩니다. 시스템 반도체 시장은 TSMC가 주도하며, 메모리 반도체는 삼성전자가 세계 시장을 석권합니다.

삼성전자와 TSMC는 현재 3 나노미터 규격의 반도체 IC를 생산하고 있습니다. 그 기술을 더욱 갈고 닦아서, 1나노 미터 크기의 반도체 IC를 생산하겠다고 합니다.

1나노에 도달하게 되면 그 아래 피코(Pico) 단위로 내려가야 합니다. 그러나 이 피코(1조분의 1) 단위에서는 실리콘 반도체의 전자상태에 이상이 생길 수가 있어서, 현행 기술로는 어렵다고 알려져 있습니다. IC 업체들은 보다 더 새로운 기술과 새로운 소재 개발에 집중하고 있다고 합니다.

나노 동네에는 양자컴퓨터도 있습니다.

반도체 나노기술에 해당하는 전자(Electron)를 더 분해하면 소립자(Particle)가 나옵니다. 소립자에는 쿼크(Quark)도 있고 렙톤(Lepton)도 있습니다.

쿼크는 양성자를 이루는 소립자로서 스핀(Spin)을 가집니다. 지구의 북극과 남극은 자기력을 가져서, 자석을 N극(북극)과 S극(남극)으로 향하게 합니다. 쿼크의 스핀은 위로 향하는 N극과 아래로 향하는 S극의 성질이 있습니다.

이 스핀의 성질을 양자 역학에 적용하여 1과 0의 이진법 코드를 만듭니다.

그리고 렙톤은 전자를 이루는 소립자 입니다. 양성자, 중성자 및 전자가 원자를 구성하지요. 태양빛 속에는 광자가 있습니다. 원자, 소립자 및 광자를 양자(量子, Quantum) 라고 합니다.

양자의 코드는 큐비트(Qubit)라고 합니다. Up(북) spin은 큐비트 0 이라 하고, Down spin(남)은 큐비트 1 이라고 합니다.

큐비트로 양자게이트를 만듭니다. 양자게이트는 양자의 상태를 나타낼 수가 있습니다. 큐비트 1도 만들고, 큐비트 0도 만듭니다.

양자 상태를 나타내는 양자게이트로 양자회로를 만들어 논리와 산술처리를 합니다. 이 회로의 소재도 반도체를 사용합니다.

양자게이트와 양자회로는 양자역학의 원리를 사용합니다.

그 역학의 양대 기둥은 양자중첩과 양자얽힘 입니다.

양자중첩이란 양자 하나에 큐비트 1과 큐비트 0을 동시에 갖게 하는 물성입니다. 얼른 이해가 가지 않는 소리입니다. 이 양자 중첩을 이용하여 양자논리연산을 합니다.

양자 얽힘을 설명하려면 양자 깨짐이나 양자연산 측정을 알아야 합니다. 양자는 양자 상태를 유지해야 양자중첩이나 양자얽힘 물성을 유지합니다. 그 양자상태가 깨지면 중첩은 한 가지로 깨지고, 얽힘은 두 가지로 깨집니다. 양자 연산을 하다가 그 결과를 알기 위하여 측정을 하면 양자의 중첩이나 얽힘은 깨어집니다.

양자얽힘이란 양자의 상반되는 두 성질이 서로 얽혀있는 상태를 말합니다. 따라서 한 가지의 측정값을 알면 얽힌 나머지는 굳이 측정하지 않아도 그와 상반되는 것이란 것을 알게 되지요. 예를 들면 양자의 물성은 +와 - 상태가 얽혀있기도 합니다. 이런 상태를 양자얽힘 이라고 합니다.

현행 컴퓨터는 비트1과 비트 0을 사용하여 논리와 계산 처리를 합니다. 1과 0 2비트를 사용하면 <00 01 10 11>의 네 번에 걸친 연산을 합니다. 이 연산의 수가 8 비트에 이르면 2의 8 자승 즉, 258번 정도의 연산을 해야 합니다.

양자컴퓨터의 양자중첩원리를 사용하면 8 비트는 루트 8 즉, 2 루트 2(약 2.8)번의 연산으로 해답을 구해 냅니다.

256과 2.8의 비교로 양자컴퓨터의 계산능력이 우위에 있습니다. 이런 우위는 비트수가 증가하면 기하급수적으로 커지게 됩니다. 이런 능력을 양자우위(Quantum Superimacy)라고 합니다. 이런 양자우위로 양자컴퓨터는 엄청난 숫자의 계산을 요하는 물리현상을 풀어내어, 양자 첨단기술을 구현합니다. 신약 개발, 첨단 소재 개발, 주가 예상 및 일기예보 등에 활용합니다.

그러나 빛이 있으면 그늘이 있다는 말과 같이, 위험스런 암호 해킹의 길 또한 열려있는 것입니다.

전자금융 거래나 비트체인 암호화폐의 암호화 기술은, 대단위 숫자를 인수분해 하는 원리를 역이용하여 암호(Password)를 만듭니다. 어떤 숫자가 수백만 단위이면 그 수의 인수분해에는 엄청난 계산이 필요하여 인간두뇌로는 도저히 불가능하며 슈퍼컴퓨로도 불가능하기에, 안심하고 RSA 패스워드로 금융거래나 암호화폐 거래를 합니다

양자컴퓨터의 중첩원리 알고리즘(쇼어알고리즘) 연산은 이런 RSA 암호를 쉽게 깨버립니다. 암호제작에 비상이 걸렸습니다.

아직은 양자컴퓨터 상용화 단계가 아니라서 그렇지, 상용화로 아무나 양자컴퓨터를 살 수 있는 시대가 오면, 핵커 도둑놈들이 은행 거래의 패스워드를 깨서 남의 돈을 송두리째 먹어 치우는 사태가 올 수도 있습니다.

이상이 나노 동네의

현행컴퓨터와

양자컴퓨터의 이상한 풍경입니다.

이 동네의 언어는 온통 잘 모르는 말로 구성되어 있습니다. 놀면 알지 못하고 공부해야 알게 되는 것입니다.

이 어려운 공부를 쉽게 할 수가 있겠습니까?

정말로 노나 공부하나 마찬가지 인가요?