The Science Times

물리학자라면 항상 10월쯤 되면 올해의 물리학상은 누가 타게 될까 궁금해지기 마련이다. 그리고 한편으로는 우리나라는 과연 언제쯤 노벨 물리학상을 타게 될까 하며 약간의 위기의식을 느끼기도 한다. 2022년 노벨 물리학상은 양자 얽힘에 관한 실험적 성과 및 양자 정보 분야를 개척한 공로로 프랑스의 알랭 아스페, 미국의 존 클라우저, 오스트리아의 안톤 차일렁거 세 사람에게 수여되었다. 이들 세사람의 연구는 양자컴퓨터, 양자암호학, 양자 순간 이동 등의 양자 기술의 발판을 놓았다는 높은 평가를 받고 있다. 한편, 양자역학이 고전역학과 뚜렷이 구별되는 큰 특징이 “중첩”과 “얽힘” 이라는 현상 때문인데, 바로 이 두 특징이 양자 기술의 핵심이 된다.

2022년 올해 노벨 물리학상은 양자얽힘 현상에 관한 실험으로 양자정보과학 분야 연구를 개척한 알랭 아스페, 존 프랜시스 클라우저, 안톤 차일링거에게 수여된다. 아인슈타인은 1905년 논문에서, 금속에 빛을 쬐면 전자가 튀어나오는 광전효과(光電效果)를 양자물리학적으로 설명하여 노벨 물리학상을 받았지만, 1920년대 후반에 새로이 등장한 양자이론에 대하여 불만이 많았다. 고전물리학에서 말하는 측정은, 이미 결정되어 있는 물리량을 물체에 영향을 주지 않은 채 읽어낼 수 있다고 여겼다. 양자물리학에서는, 물리량으로 가능한 여러 값들 중에서 어느 하나로 확률적으로 정해지는 것이 측정이다.

그가 박사후 연구원으로 1990년 MIT에 처음 왔을 때 지도교수였던 데이비드 프리차드(David Pritchard) 교수는 ‘파울리 차단(Pauli blocking)’이라는 양자 효과 하나를 예측했다. 만약 원자를 초저온 상태에서 고밀도로 배치하게 되면 투명해져서 보이지 않게 만들 수 있다는 주장이 바로 그것이었다.

2019년 10월, 세계에서 가장 저명한 학술지 네이처(Nature)는 구글이 개발한 양자컴퓨터가 현존하는 슈퍼컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 이른바 ‘양자 우위(quantum supremacy)’를 세계 최초로 달성했다고 발표했다. 초전도 소자 기반의 53큐비트로 구성된 양자컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’가 기존 컴퓨터로 약 1만 년이 걸리는 연산문제를 단 200초 만에 풀어낸 것인데, 그동안 이론적으로만 존재하던 꿈의 컴퓨터의 가능성을 양자역학적 원리를 이용하여 최초로 실험을 통해 입증한 것이다.

“양자컴퓨터를 통해 인류는 코로나19와 같은 새로운 바이러스에 빠르게 대응할 수 있고 나아가 식량난도 해결할 수 있을 것이다.” 20일 열린 2021년 대한수학회 가을연구발표회 대중강연에서 지동표 서울대 명예교수는 ‘양자컴퓨터와 수학’ 강연을 통해 인류 삶에 실질적으로 기여할 양자컴퓨터의 잠재력을 강조했다. 지동표 교수는 1976년부터 2012년까지 서울대학교 수리과학부 교수로 재직했으며 현재는 서울대 수리과학부 명예교수, UNIST 기초과정부 석좌교수로서 양자정보과학기술연구회(QuIST)의 회장을 맡고 있다.

공상과학 영화를 보면, 미래에 인간 지능을 훨씬 능가하는 인공지능이 자의식을 가지면서 인류를 파멸시킨다는 내용이 가끔 나온다. 그래서 사람들은 인공지능에 대해 막연한 공포심을 갖기도 한다. 정말로 미래에 인류를 파멸시킬 수 있는 인공지능의 탄생할 수 있을까?

“세상은 양자인데 양자역학 원리에 따라 완벽하게 작동하는 기계로 세상을 시뮬레이션할 수 없을까?” 1980년대 세계적인 물리학자 리처드 파인만의 질문은 양자컴퓨터 태동에 결정적인 영향을 준다. 이후 수많은 과학자들이 양자컴퓨팅 연구에 몰두했지만 양자컴퓨터는 1990년대 중반까지 그야말로 ‘꿈의 기술’에 불과했다. 그리고 60년이 지난 현재 양자컴퓨팅은 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.

주목할 점은 이 양자정보과학에 차세대 무기 개발에 적용되고 있다는 점이다. 24일 미 국방성 뉴스 사이트에 따르면 양자과학실 폴 로파다(Paul Lopata) 부국장은 엔지니어링 주간을 맞아 언론과 양자정보과학에 대한 인터뷰를 가졌다. 로파타 부국장은 그 자리에서 “이전보다 훨씬 빨리 통신을 암호화하거나 해독할 수 있는 양자컴퓨팅 및 첨단 네트워크 기술 등을 개발하고 있으며, 이 같은 양자과학이 향후 국방 분야에서 혁명적인 기술을 가져올 것”이라고 말했다.

양자컴퓨터가 지금까지 별 실용성이 없는 문제들을 풀어낸 가운데, 스웨덴 샬머스 과학기술대 연구팀이 작지만 잘 작동하는 양자컴퓨터로 QAOA 알고리즘을 이용해 실제 항공 물류 문제를 해결할 수 있음을 처음으로 보여주었다.

중국 과학자들이 광 양자 컴퓨터를 이용해서 25억 년 걸릴 계산문제를 200초 만에 계산하는 양자 우위를 달성했다고 발표했다. 양자 우위는 기존의 클래식 컴퓨터로는 아무리 좋고 혁신적인 알고리즘이 나온다고 해도 도저히 따라갈 수 없는 양자컴퓨터의 압도적인 계산력을 말한다. 이번에 중국 과학자들은 중국의 슈퍼컴퓨터를 동원해도 무려 25억 년이 걸릴 계산을 불과 200초 만에 달성했다고 발표했다.