“수십억 년 걸린 문제, 몇 초 만에 풀 수 있다”

창과 방패, 양자컴퓨팅이 인류에게 보여주는 미래

“세상은 양자인데 양자역학 원리에 따라 완벽하게 작동하는 기계로 세상을 시뮬레이션할 수 없을까?” 1980년대 세계적인 물리학자 리처드 파인만의 질문은 양자 컴퓨터 태동에 결정적인 영향을 준다. 이후 수많은 과학자들이 양자 컴퓨팅 연구에 몰두했지만, 양자 컴퓨터는 1990년대 중반까지 그야말로 ‘꿈의 기술’에 불과했다. 그리고 40년이 지난 현재 양자 컴퓨팅은 완전하지는 않지만, 일부 상용화되면서 꿈의 조각을 맞춰가고 있다.

양자 컴퓨팅이 실현되면 인류는 어떤 변화를 겪게 될까. 지난 11일 온라인 웨비나로 열린 ‘양자 컴퓨팅 시대 (The Quantum Computing Era)’에서 세계적인 양자 컴퓨터 권위자 데이비드 어샬롬 미국 시카고대학교 교수와 김정상 미국 듀크대 교수는 “양자 컴퓨팅이 금융, 신약, 화학, 에너지, 기후변화 등 인류의 모든 산업의 구조를 바꿀 것”이라고 전망했다.

초능력과 같은 양자 컴퓨터? 인류에게 어떤 미래를 줄까?

양자 컴퓨터는 인류에게 어떤 미래를 가져다줄까? 가장 먼저 우리는 뛰어난 연산 능력을 가진 컴퓨터를 가지게 될 것이다. 데이비드 어샬롬(David Awschalom) 미국 시카고대학교 분자 공학과 석좌교수는 “양자 컴퓨터는 그 어떤 슈퍼컴퓨터도 풀 수 없는 문제를 풀 기회를 제공할 것”이라고 단언했다. 데이비드 어샬롬 교수는 반도체의 스핀 홀 효과를 발견한 양자 컴퓨팅 분야의 세계적인 권위자다.

세계적인 양자 컴퓨팅의 권위자인 데이비드 어샬롬 교수. ⓒ 최종현 학술원

글로벌 양자 컴퓨팅 기술 업체 IonQ 창업자인 김정상 미국 듀크대학교 전기 컴퓨터 공학과 교수는 양자컴퓨터와 일반 컴퓨터를 주판과 일반 컴퓨터로 비교했다. 김 교수는 “앞으로 양자컴퓨터는 주판과 일반 컴퓨터의 차이보다 더 큰 차이를 가질 것”이라고 말했다. 이어 “양자컴퓨터는 앞으로 수십억 년 걸리던 문제를 수초 만에 풀 수 있다”라고 덧붙였다.

양자 컴퓨팅은 최적화, 암호화, 보안 측면에서 큰 영향을 끼칠 전망이다. 어살롬 교수는 양자기술을 통신과 센서 부분을 포함해서 발전될 것으로 전망했다. 양자통신은 미국, 캐나다, 싱가포르, 유럽, 한국 등 주요 국가들이 앞다퉈 투자하고 있는 분야이기도 하다. 어살롬 교수는 “양자의 본질인 ‘중첩’과 ‘얽힘’은 양자통신, 센서를 발전시킬 것”이라며 “아주 먼 곳으로 정보를 순간 이동시키는 것이 가능해진다”라고 설명했다.

지난 11일 최종현학술원은 온라인 웨비나 ‘양자 컴퓨팅 시대(The Quantum Computing Era)’를 열고 양자 분야 세계 최고 권위자들과 양자컴퓨팅에 대한 글로벌 기술 현황과 우리나라의 양자컴퓨팅 개발 현황, 양자컴퓨터의 새로운 기회와 도전 과제 등을 분석하는 시간을 마련했다. ⓒ 최종현 학술원

그는 이어 양자컴퓨팅 기술이 금융부터 보안, 신소재 개발, 전자 투표로 인한 보호 시스템, 개별 단백질의 구조와 기능 매핑, 효율적인 에너지 배분 및 모니터링 등 현재 우리 삶의 모든 측면에 영향을 미치리라 전망했다. 가장 기대가 되는 부분은 노화방지, 생명 연장과 같은 생명과학 분야에 미치는 영향이다.

양자 컴퓨팅 기술이 인간의 가장 큰 욕망인 ‘불로장생’을 실현해줄 수 있을까. 어살롬 교수는 “해결해야 할 과제들도 많지만, 양자기술은 생명과학에 커다란 도움을 줄 것”이라며 기대감을 보였다.

김정상 교수는 최근 양자 컴퓨터의 일부가 상용화되었음을 전했다. 김 교수는 “아주 큰 발전이다. 이제 양자 컴퓨터를 만들 수는 없어도 양자컴퓨터를 사용할 수 있게 됐다”라고 말했다.

김정상 미국 듀크대학교 전기 컴퓨터 공학과 교수는 양자컴퓨터는 상상이상의 미래를 가져다 줄 것이라고 예측했다. ⓒ 최종현 학술원

김 교수는 양자 컴퓨팅을 통해 양자 머신러닝, 양자화학, 양자 최적화 분야가 발전된다는 것에 큰 기대를 걸었다. 양자 머신러닝은 최근 6개월 사이에 눈부신 이론적 진전이 있었다. 그는 “현재 알고리즘 발전이 서서히 가시화되고 있다”며 “NISQ(Noisy Intermediate-Scale Quantum)에 적합한 새로운 접근법과 증명도 나오고 있다”라고 현황을 설명했다.

이어 “이미지 인식, 최적화 문제 등 아주 실용적이고 유용한 응용사례 구현도 시작되고 있다”며 “향후 10년 안에 상업적으로 유용한 응용사례가 나올 것”이라고 확신했다.

양자 컴퓨팅은 최적화에 큰 진전을 가져올 것으로 보인다. 김 교수는 “가령 예를 들면 UPS와 같은 유통업계에서 수백만 개의 물건을 수백만 명에게 보낼 때 가장 최적의 방법을 찾는 방법을 양자 컴퓨팅이 해결해줄 것”이라고 설명했다.

창과 방패, 양자 보안 문제 해결하려면 수십 년 걸려

보안 문제는 어떻게 될까? 흔히 양자 컴퓨팅이 만들어내는 보안 시스템은 해킹할 수 없다는 장점을 지닌다. 하지만 같은 양자 컴퓨터로 공격시스템을 만들면 어떻게 될까? 창과 방패의 싸움이 될 것이다.

양자기술로 만들어지는 보안 시스템은 창과 방패와 같다. ⓒ 게티이미지뱅크

이 질문에 대해 김정상 교수는 “공격 시스템과 방어 시스템이 서로 진화하면 발전될 것이기 때문에 사실 창과 방패의 싸움 맞다”면서도 “하지만 그런 걱정은 아직 하지 않아도 좋다”라고 말했다. 현재 보안 시스템을 무력화시킬 수 있는 양자컴퓨터는 앞으로 10~20년 후에나 등장하기 때문이다.

김 교수는 “보안 시스템을 푸는 문제는 오랜 시간이 걸릴 것이다. 하지만 그렇기 때문에 이것은 우리에게 좋은 소식이다. 아직 우리가 공부할 시간이 충분하다는 뜻이기 때문”이라고 덧붙였다.

초전도 소자 기술을 통한 양자 컴퓨팅 구현 방법을 설명한 정연욱 성균관대학교 나노공학과 교수. ⓒ 최종현 학술원

초전도 소재를 이용한 양자 컴퓨터를 설명한 정연욱 성균관대학교 나노공학과 교수도 같은 의견을 냈다. 정 교수는 “현재 해킹되는 것은 인수분해 기반 암호화 시스템만 해킹이 가능하다”라며 “다른 암호화 시스템도 있기 때문에 어디선가 갑자기 양자 컴퓨터 운영이 시작돼도 앞으로 적어도 20년간은 계속 비밀번호 시스템을 지킬 수 있을 것”이라고 답했다.

양자 컴퓨팅 기술이 가져올 미래는 거의 모든 우리의 삶에 영향을 미칠 것으로 보인다. 하지만 어떤 파급효과가 있을지 지금은 정확히 예측할 수 없다. 마치 과거 컴퓨터가 만들어졌을 때의 우리가 그러했듯이 말이다.

김정상 교수는 “지금은 1960년대 컴퓨터를 만들던 때와 비슷하다. 컴퓨터를 개발할 당시에 컴퓨터란 그저 조금 성능이 좋은 휴대용 계산기라고 생각했을 것이다. 하지만 지금 컴퓨터가 없는 현실을 상상하기 힘들 듯 양자컴퓨터가 가져올 미래도 그러할 것”이라고 전망했다.

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