​기술패권 시대 핵심 양자, 현실에선 어떻게 구현될까?

오는 15일 개봉하는 영화 '앤트맨과 와스프: 퀀텀 매니아'는 양자영역에 문명을 이루고 살아가는 왕국이 배경이다.[사진=마블 코리아]

양자기술은 국가 전략 핵심 요소 중 하나다. 현실세계에서 양자기술 활용에 대한 대중적 관심도 커지고 있다. 양자 세계를 다룬 영화도 여럿 등장하고 있다. 15일 개봉을 앞둔 영화 '앤트맨과 와스프: 퀀텀 매니아'도 양자기술을 영화 속 스토리로 풀어냈다. 

영화 앤트맨에 등장하는 양자영역은 마블 시네마틱 유니버스를 연결하는 중요한 소재로 쓰인다. 영화 속 주인공은 '핌 입자'라는 물질을 통해 신체 크기를 자유롭게 조절하면서 원자보다 크기가 작은 양자 세계(양자영역)를 오간다.

한국원자력연구원에 따르면 원자는 원자핵(중성자와 양성자)과 이를 둘러싼 전자로 구성돼 있다. 미시세계 관점에서 원자핵과 전자 사이 공간은 비어 있다.

축구장 가운데 놓인 공 하나를 원자핵에 비유하면 관람석을 돌아다니는 개미가 전자에 해당한다.

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영화는 과학적 사실을 바탕으로 원자핵과 전자 사이 거리를 좁혀 주인공 신체 크기를 조절한다. 물론 영화에서 표현된 양자영역은 허구적인 요소다. 물리학에서 말하는 양자역학과는 차이가 있다. 하지만 양자역학 자체가 완전히 현실과 동떨어진 기술은 아니다. 이 특성을 활용하는 대표적인 사례가 양자 컴퓨터다.

◆양자역학 특성 활용, 난제 해결하는 양자 컴퓨터

13일 한국전자통신연구원에 따르면 양자 컴퓨터는 양자물질을 소자로 활용해 연산한다. 양자역학의 기본 특성인 양자중첩과 양자얽힘 현상을 이용한다. 중첩이란 관측하기 전까지 물질의 상태가 여러 상태로 공존하는 것을 의미한다. 얽힘은 중첩 상태인 두 입자 가운데 한쪽을 관측해 상태가 결정되면 관측되지 않은 다른 쪽 상태도 결정된다는 확률적 해석이다.

기존 컴퓨터는 0과 1로 모든 것을 표현하는 2진법을 사용한다. 실리콘 기반 CMOS(집적회로의 일종) 소자는 전기 신호를 받았을 때 이 상태를 유지하는 특성이 강하다. 따라서 전기 신호가 입력됐는지 아닌지 구분하는 2진법에 최적화됐다.

만약 1비트를 저장할 수 있는 CMOS 소자가 있다면 0에서 1까지 총 두 개 상태 중 한 가지만을 표현할 수 있다. 반면 양자물질로 구현된 큐비트(Qbit) 소자는 0과 1이라는 정보가 중첩된 상태로 존재한다. 즉 두 가지 계산을 동시에 할 수 있는 셈이다.

◆"300큐비트로 기록하는 경우의 수, 전 우주 원자보다 많아"

김정상 듀크대 교수는 지난 10일 최종현학술원 특별강연에서 "(작은 규모 연산에서는) 이 차이가 놀랍지 않게 보이지만 300큐비트만 있으면 기록할 수 있는 경우의 수가 전 우주에 있는 원자보다 많아진다. 고전 컴퓨터는 이처럼 수많은 경우의 수를 활용할 수 없지만 양자컴퓨터는 기하급수로 많은 경우의 수를 동시에 다룬다. 따라서 난제들을 양자 컴퓨터가 풀어낼 수 있다고 전망한다"고 설명했다.

실제로 양자 컴퓨터가 활용되는 분야는 다양하다. IBM에 따르면 미쓰비시 케미컬은 효율적인 배터리 화학반응 예측을 위해 양자 컴퓨터를 활용한다. 델타항공은 고객경험 개선과 직원 만족도 향상을 위해 모든 접점을 분석하는 데 이를 활용 중이다.

김 교수는 큐비트 상태를 구현하는 시도는 지속해서 이어지고 있으며 수많은 가능성을 타진하는 단계라고 설명했다. 컴퓨터가 초기에 진공관 등 다양한 방식을 이용하다 CMOS로 정착한 것과 마찬가지다.

현재 이온트랩 등 자연 양자를 포획해 활용하는 방식과 초전도 현상으로 양자물질을 생성하는 방식이 주목받고 있다. 최근 국내 연구팀도 초전도 상태에서 새로운 양자물질을 발견하면서 양자 컴퓨터 소자 개발 가능성을 열었다.

김 교수는 "기존 컴퓨터는 70년간 발전하며, 규모가 작은 문제를 빠르고 효율적으로 해결한다. 이러한 영역을 굳이 양자 컴퓨터로 해결할 필요는 없다"며 "현재로는 양자 컴퓨터를 대량으로 제조할 수 있는 방법이 발명되지 않았기 때문에 이 시장에 많은 기회가 있을 것"이라고 말했다.