태양에서 양자까지

태양빛은 양자(광자)로서 지구까지 달려옵니다. 그 길 속에 양자의 흐름이 있습니다.

2026년 벽두의 시대적 흐름은 인간 지능의 대리인 AI Agent 개발 경쟁으로 AI 세계대전을 벌리고 있습니다. 이 전쟁은 미사일과 드론으로 폭탄을 쏘아대는 물리적 전쟁이 아닙니다. 

바로 지능을 이용한 지능 전쟁(Intelligence War)입니다. 이런 전쟁 참가국들은 USA, China, EU, Japan and Korea 입니다. 

 Korea ! 참 대단한 나라입니다.

싸움의 하수가 아닌 고수는 조용히 움직입니다.

세계는 AI Agent 개발에 주력하고 있습니다. 

우리 뇌 지능의 대리인(Agent)들이 일을 하게 만듭니다. 대표적인 것이 ChatGPT, Gemini, Clova-X 등의 LLM(대형언어모델) 입니다. 

질문을 하면 답변을 척척 해냅니다. 수십억~수조 개의 문장을 학습하여 실력이 인간의 기억력을 훨씬 능가합니다.

이런 기술을 Attention & Transformer 이라고 합니다. 이 기술은 언어의 문장 내 상호 관계(주어, 술어, 수식어 등)를 확률로 파악하여 기억하고, 가장 가까운 확률의 것을 불러내서 질문의 답변 문장을 생성해 냅니다. 

인간의 기억은 수천 억에서 수 조에 이르는 단어를 절대로 기억하지 못합니다.

그러나 학습하지 못한 최근의 상태에 관한 질문을 하면 거짓말(Hallucination)을 합니다. 

이를 해결하는 RAG (Retrieval Augmented Generation)라는 이름의 검색 '증강 생성' 기술이 최근 정보를 입력하여 이를 보강하고 있습니다.

이처럼 AI 기술은 날로 달로 발전에 발전을 거듭하고 있습니다. 미국과 중국의 AI 전쟁이 화염이 없는 불꽃을 피워 댑니다. 우리나라는 안보이는데요.

AI 전쟁은 반도체 전쟁입니다. AI의 전기 에너지 통로가 바로 반도체 입니다. 

이 전쟁의 핵심은 보다 얇은 반도체 Chip 생산 기술입니다. 

한국의 삼성전자, SK 하이닉스, 대만의 TSMC 등 파운드리(위탁생산)가 Nano 두께 전쟁을 벌이고 있습니다. 

현재 3나노 미터 단위까지는 생산이 되고 있으며, 1나노 단위를 개발 중입니다. 

1나노 미터 Chip의 문제는 전기 흐름의 본체 전자가 그 흐름의 벽을 뚫고 나오는 양자 터널링 현상으로서, AI가 새는 정보 때문에 오작동하게 만드는 문제입니다. 

삼성전자는 GAA 라는 전자 통로의 4면을 둘러싸는 첨단기술을 세계 최초로 개발하여 이 전쟁의 기선을 제압하고 있습니다.

1나노 미터 이하로 반도체 전자 통로가 얇아지면, 이제는 양자 기술(Quantum Technology) 시대로 접어듭니다. 양자 기술을 알려면 참으로 이해하기 힘든 양자의 독특한 물성을 이해해야 합니다. 그 물성을 양자의 대표격인 전자를 이용하여 설명합니다.

1)   입자와 파동 이중성

전자는 때로는 당구공 같은 입자(Particle)처럼 행동하고, 때로는 호수의 물결과 같은 파동(Wave)처럼 행동합니다. 관측하기 전에는 파동으로 퍼져 있다가 관측하는 순간 입자로 위치가 바뀝니다. 

2)   양자 중첩(Quantum Superposition)

 전자는 한번에 여러 상태나 위치에 동시에 존재할 수 있습니다. ‘0이면서 동시에 1이 되는’ 상태로서 양자 컴퓨터의 핵심 원리가 됩니다. 

3)   양자 얽힘(Entanglement) 

두 전자가 특별한 인연을 맺으면 아무리 멀리 떨어져 있어도 한 쪽의 상태가 결정되는 순간, 다를 쪽의 상태도 결정됩니다. 만약에 지구와 달에 있는 전자가 얽혀 있다면 지구의 전자 상태가 결정되면 빛보다 빠른 속도로 달의 전자 상태가 결정된다는 것입니다. 

우주의 어떤 것도 빛보다 빠를 수 없다는 아인슈타인의 상대성 원리에 배치되는 현상이므로, 

아인슈타인은 죽을 때까지 이 성질을 납득하지 못하며 부인 했습니다. 그러나 사실입니다.

4)   양자 터널링(Quantum Tunneling) 

파동의 성질 덕분에 고전적 물리현상으로는 도저히 넘을 수 없는 장벽을 마치 터널을 뚫고 지나가듯이 통과할 수 있습니다. 태양의 빛과 열도 양자인 광자(Photon)의 양자 터널링 힘으로, 머나먼 태양과 지구 사이 우주 공간을 뚫고서 지구에 태양빛과 태양열을 선사하는 것입니다. 앞의 삼성전자 GAA 기술은 이 현상을 막는 기술입니다. 

5)   측정(Measurement)의 원리 

전자는 양자 중첩 상태로 있다가 측정 장비가 비추거나 인간이 쳐다보면, 중첩이 깨어져 하나로 결정됩니다. 이 원리를 이용하여 0과 1의 중첩으로 양자 연산을 쉽게 하고 0과 1로 결정되는, 양자 컴퓨터를 만들 수가 있는 것입니다. 

6)   불확정성 원리(Uncertainty Principle) 

하이젠베르크가 정립한 원리로, 전자의 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능 합니다. 뉴턴의 운동 법칙 *힘=질량 X 속도*의 원칙에 정면으로 상반됩니다.

7)   전자의 스핀(Spin)과 전자기력

전자는 스스로 회전하는 듯한 성질인 Spin을 가집니다. 이 스핀은 원자 내 양성자를 도는 현상으로서, Orbital이라는 전자 구름처럼 회전합니다. 그 과정에서 강한 전자기파를 생성하여 회전 괘도가 강한 힘을 가집니다. 생물의 생체, 인간의 신체 및 무생물 물체가 강한 결속력으로 뭉쳐 쉽게 깨어지지 않는 것도, 이 전자의 스핀이 뿜어내는 전자기력 덕분입니다.

그 오비탈은 제1 궤도 정수 2, 제 2 궤도 8, 제 3 궤도 18 순으로 구성되어 돕니다. 오비탈의 정수 합계는 그 물질의 원자번호 즉, 전자의 합계 입니다. 원자번호 2 헬륨은 2개로서 제1 오비탈만 있고, 원자번호 14 반도체 실리콘은 제1에 2개, 제2에 8개, 제3에 4개로서 합계 14개의 전자를 가집니다.  

세계는 이런 양자의 물성을 양자 컴퓨터에 적용하여 기존의 Super Computer가 계산해내지 못하는 연산을 해내게 하고 있습니다. 특히 양자 얽힘은 양자 통신에 활용하고 있습니다. 
양자 컴퓨터의 우위(Quantum Supremacy)를 설명합니다. Super Computer나 AI 기술 탑재 컴퓨터라도 풀 수 없는 기술입니다.

1)   암호를 깨는 쇼어 알고리즘(Shor Algorithm)

현행 인터넷 뱅킹은 RSA라는 소인수분해 난해성을 이용한 암호(Password)를 사용합니다. 수천 조 단위의 소인수분해는 슈퍼컴퓨터라도 풀어낼 수가 없기에 안전하게 전자 금융에 사용합니다. 
그러나 양자 중첩의 병렬 연산을 활용한 쇼어 알고리즘은 RSA 암호를 단숨에 깨어 버립니다. 이 알고리즘은 전자 파동의 간섭 현상을 이용하여, 정답이 아닌 것은 서로 상쇄 간섭으로 탈락 시키고, 정답인 것은 증폭(보강 간섭) 시켜서 암호를 깨어 버립니다.

2)   반도체 1나노 미터에서 일어나는 전자의 흘러 나는 현상 해결책

앞에서 설명한 삼성전자의 GAA(Gate-All-Around) 기술이 양자 터널링 현상으로 새어나가는 문제를 해결합니다.

또한 스핀트로닉스(Spintronics) 기술로 전자의 흐름 대신 전자의 스핀 정보만 전달하여, 열 발생을 획기적으로 줄이고 있습니다. 이것도 삼성전자의 기술 입니다.

이런 성능의 양자 컴퓨터로 세계는 양자 기술 전쟁을 벌이고 있습니다. 

그 전쟁 분야로 바뀌어지는 현상을 살펴봅니다.

1)   보안의 대격변 비밀번호가 사라지는 시대 

양자 내성 암호(PQC, Post Quantum Cryptography)와 양자키 분배(QKD, Quantum Key Distribution) 기술이 상용화되어 인터넷 뱅킹, 가상 화폐와 군사비밀 보호에 활용될 것입니다. 

2)   하드웨어의 혁신 

전자 스핀을 스마트폰에 활용함으로써 저전력 사용과 발열 문제를 해결한 스마트폰 시대가 열릴 것입니다. 

3)   맞춤형 물질 탄생: 신약 개발, 상온 초 전도체, 신소재 개발을 양자 컴퓨터가 실현 시킬 것입니다. 

양자역학은 인간의 뇌 작용도 전자가 양자 컴퓨터에 활용 되는 것처럼, 전자의 양자적 특성으로 설명합니다. 우리가 뇌에서 신경망과 피질로 의식하고, 느끼고, 생각하고, 상상하고, 예측하고, 기억하고, 학습하는 등의 모든 뇌의 작용을 양자적 성질로 풀어냅니다.

그리하여 양자 컴퓨터 기술을 활용한 양자적 시물레이선에 의한 인공 의식의 실현으로 인간의 뇌의 작용을 읽어 낼 수가 있다고 합니다.

그리하면 인간의 마음과 신체에서 발생하는 질병을 완전히 퇴치할 수 있는 시대가 도래할 것입니다. 진시황이 그토록 원했던 불로장생의 꿈이 실현될 날이 올 수도 있을 것입니다.

그런대 삼성전자 등 대기업 외에 우리 정부의 정책은 무언가요? 
삼성전자 SK 하이닉스 등 전자 회사와 SKT, GT, KT 등의 양자 암호키 분배(QKD) 기술을 망라하여, 한국정부는 양자 과학 기술에 조 단위 예산을 투입하기 시작했습니다. 

2024~2026년을 기점으로 양자 전용 팹(Quantum Fab) 건설과 양자 대학원 설립 등 양자 기술의 인프라와 인재 양성에 국가적 사활을 걸고 있습니다.

이제부터 시작입니다!

AI Agent 기술과 양자 컴퓨터 기술을 공부합시다.