양자컴퓨터의 미래 / 미치오 카쿠

 
 

1부 양자컴퓨터의 부상

1장 실리콘 시대의 종말

ㆍ구글은 자사에서 개발한 양자컴퓨터 시카모어가 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 수학 문제를 단 20초 만에 풀 수 있다고 장담했다. 이 새로운 컴퓨터가 등장하면 지금 세계 최고로 알려진 컴퓨터는 주판처럼 보일 것이다. 더 나아가 그들이 만든 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터보다 100조 배 이상 빠르다고 주장했다.

ㆍ양자 컴퓨터의 역할은 단순히 빠른 계산에 국한되지 않는다. 사실 기존의 디지털 컴퓨터는 엄밀히 말해서 시간을 절약해주는 장치였다. 컴퓨터로 계산을 하면 시간이 크게 단축되긴 하지만, 어쨌거나 그것은 사람도 할 수 있는 계산이었다. 그러나 양자컴퓨터는 디지털 컴퓨터를 무한히 긴 시간동안 가동해도 절대 풀 수 없었던 문제까지 해결하는, 완전히 새로운 유형의 컴퓨터이다. 0과 1의 조합은 생명현상과 관련된 주요 화학반응을 원자 규모에 정확하게 계산하기에는 너무 투박하다. 하지만 양자컴퓨터는 모든 가능한 경로를 ‘한꺼번에’ 거의 빛의 속도로 분석할 수 있다.

ㆍ2021년 IBM은 이전 모델 보다 성능이 훨씬 뛰어난 양자컴퓨터 이글 Eagle 을 선보였다.

ㆍ양자컴퓨터가 떠오르는 것은 실리콘 시대가 막을 내리고 있다는 징조이다.



양자컴퓨터는 무엇인가?
ㆍ원자는 자전하는 팽이와 비슷해서, 자기장을 걸어주면 위 up, 또는 아래 down 로 정렬한다. 자전 방향이 반시계방향이면 up, 시계방향이면 down이다. 또는 그 반대로 정의할 수 있다. 이렇게 up과 down으로 정의되는 상태를 원자의 스핀이라 한다. 이때 up을 0, down을 1에 대응시키면, 컴퓨터의 비트와 동일한 역할을 수행할 수 있다. 디지털 컴퓨터의 성능은 그 안에 들어 있는 상태의 수(0과 1의 수)와 밀접하게 관련되어 있다. 그러나 원자의 세계는 인간계와 달리 참으로 희한한 세계여서, 원자의 두 방향의 조합으로 자전할 수 있다. 예를 들어 어떤 원자는 주어진 시간의 10% 동안 up이고 90%는 down이며, 또 어떤 원자는 65%가 up이고, 35%는 down일 수도 있다. 실제로 원자가 자전하는 방법(즉, 원자가 가질 수 있는 스핀 값)은 무수히 많으며, 따라서 원자가 놓일 수 있는 상태도 무수히 많다. 이는 원자가 0이나 1로 결정된 비트뿐만 아니라, 0과 1의 중간상태(up과 down이 혼합된 상태)인 ‘큐비트(양자비트)‘의 형태로 정보를 저장할 수 있음을 의미한다. 디지털 비트는 한 번에 단 1개의 정보밖에 운반할 수 없어서 연산 능력에 뚜렷한 한계가 있지만, 큐비트의 연산능력은 거의 무한대에 가깝다. 원자 규모에서 물리적 객체가 여러 개의 상태에 동시에 존재하는 현상을 ’중첩 superposition'이라 한다. 그래서 원자 세계에는 일상적인 상식이 통하지 않는다. 냉장고 같은 거시적 물체는 오직 하나의 위치만을 갖지만, 원자 규모에서 전자는 ‘이곳’과 ‘저곳’에 동시에 존재할 수 있다. 또한 하나의 디지털 비트는 다른 비트에 영향을 줄 수 없지만, 큐비트는 상대방과 상호작용을 교환할 수 있다. 이것을 물리학 용어로 ‘얽힘 entanglement' 이라 한다. 디지털 비트는 상호작용을 하지 않으므로 새로운 비트를 추가해도 달라지는 것이 거의 없지만, 큐비트 집단에 새로운 큐비트를 추가하면 새로 유입된 큐비트가 기존의 모든 큐비트와 상호작용을 교환하므로 가능한 상호작용의 수가 거의 두 배로 늘어난다. 따라서 양자컴퓨터는 디지털 컴퓨터보다 강력할 수밖에 없다. 큐비트 하나를 추가할 때마다 상호작용의 수가 두 배로 많아지기 때문이다.


양자컴퓨터의 앞길을 막는 방해요인은 무엇인가?
ㆍ양자컴퓨터가 제대로 작동하려면 큐비트를 구성하는 원자들이 일제히 같은 모드로 진동하도록 배열되어야 한다. 이런 상태를 ‘결맞음 coherence'이라 한다. 그러나 원자는 워낙 작고 예민한 물체여서, 외부로부터 불순물이나 교란이 조금이라도 개입되면 그 즉시 원자의 배열은 결어긋남 decoherence (결깨짐) 상태로 붕괴되고, 계산은 엉망진창이 되어버린다. 바로 이것이 양자컴퓨터가 직면한 가장 큰 문제다.


양자컴퓨터의 결어긋남을 제어할 수 있을까?
ㆍ외부의 방해요인을 최소화하기 위해, 내부의 온도를 절대온도 0도 근처까지 떨어뜨린다는 아이디어를 떠올렸다. 이런 극저온 상태에서는 원치 않는 진동을 최소화할 수 있기 때문이다. 그러나 온도를 0K까지 떨어뜨리려면 엄청나게 비싼 특수펌프와 튜브가 필요하다. 그런데 여기에는 한 가지 이상한 점이 있다. 양자역학의 법칙들은 상온에서도 아무런 문제없이 멀쩡하게 작동한다. 예를들어 지구의 모든 생명체를 먹여 살리는 광합성은 양자적 과정임에도 불구하고 상온에서 매끄럽게 진행되고 있다. 자연은 광합성을 수행하기 위해 굳이 0K에서 작동하는 특수장비를 동원하지 않는다. 그 비결은 아직 미지로 남아 있지만, 자연은 외부의 교란이 원자 규모에 끼어들기 딱 좋은 맑고 따뜻한 날씨에도 아무런 문제 없이 결맞음 상태를 유지하고 있다. 이 비결을 알아낼 수만 있다면 양자컴퓨터는 물론이고, 생명까지도 제어할 수 있을 것이다.

ㆍ양자컴퓨터가 기존의 디지털 컴퓨터보다 좋은 점
1) 검색엔진
2) 최적화
3) 시뮬레이션
4) 인공지능과 양자컴퓨터의 결합

ㆍ지금은 데이터가 부를 가늠하는 새로운 척도로 부상하고 있다.

ㆍ양자컴퓨터의 본분은 과거에도 할 수 있었던 일을 더 빠르게 처라하는 것이 아니다. 우리가 양자컴퓨터에 기대를 거는 이유는 과거에 불가능했던 일을 가능하게 만들어주기 때문이다. 디지털 컴퓨터로 복잡한 화학반응을 시큘레이션하는 것은 원리적으로 불가능하다. 지구에 매장된 실리콘을 몽땅 채취해서 초대형 슈퍼컴퓨터를 만든다 해도, 과거의 디지털 방식으로는 결코 목적지에 도달할 수 없다.


 

2장 디지털 시대의 종말

ㆍ아날로그 신호는 원본을 복제할 때마다 오류가 발생하기 쉽다.
 

3장 떠오르는 양자

ㆍ빛의 이중성 : 빛은 광자라는 입자처럼 행동할 수도 있고, 광학에서 말하는 파동처럼 행동할 수도 있다. 그 이유는 확실치 않지만, 어쨌거나 빛은 두 가지 특성을 모두 갖고 있다.

ㆍ슈뢰딩거는 양자이론의 역학적 체계를 구축한 장본임에도 불구하고 양자역학의 확률적 해석을 맹렬하게 비난했다.

ㆍ우리가 전자처럼 양자세계에서 살고 있다면 기존의 상식은 전혀 통하지 않는다.
1) 우리는 서로 다른 두 장소에 동시에 존재할 수 있다.
2) 우리는 한 장소에서 갑자기 사라졌다가 다른 장소에 나타날 수 있다.
3) 우리 우주에서 죽은 사람은 다른 우주에 살아 있을 수도 있다.
4) 우리는 방을 가로질러 걸어갈 때, 무한히 많은 경로를 동시에 지나가고 있다.
 

4장 양자컴퓨터의 여명기

 
ㆍ트랜지스터의 금속은 전류가 자유롭게 흐르는 도체이고 유리와 플라스틱, 고무 등은 전류가 통하지 않는 부도체이다. 반도체의 전도성은 그 중간쯤이어서, 전자의 흐름을 필요에 따라 제어할 수 있다.

ㆍ전자를 관측하지 않는 한 그 위치는 하나로 결정되지 않는다. 전자의 위치를 알고 싶으면 어떻게든 관측을 실행해야 한다. 관측 행위가 개입되기 전에 전자의 파동함수는 여러 상태가 섞인 모호한 파동으로 존재하다가, 누군가가 그것을 관측하는 순간 파동함수가 마술처럼 붕괴되면서 단 하나의 상태로 결정된다. 바로 이것이 양자컴퓨터에서 숫자로 된 하나의 답을 얻어내는 방식이다.

ㆍ아인슈타인은 우주를 팽창하는 구로 간주했다. 단, 우리가 살고 있는 3차원 공간은 구의 내부가 아니라 구의 표면에 해당한다.

ㆍ당신이 다른 평행 우주로 들어갈 확률은 거의 0에 가깝다. 그런데 여기서 중요한 것은 ‘거의’라는 수식어이다. 양자역학에서 모든 사건은 확률로 표현된다.

ㆍ양자역학의 기이한 특성 4가지
1) 중첩
2) 얽힘
3) 경로합
4) 터널효과

ㆍ디지털 컴퓨터와 양자컴퓨터는 거의 방식으로 소인수분해를 하지만, 양자컴퓨터는 여러 상태에서 동시에 계산을 수행하기 때문에 속도가 훨씬 빠르다.
 

5장 불붙은 경쟁

 

2부 양자컴퓨터와 사회

 

6장 생명의 기원

ㆍ탄소결합에 기초한 아미노산은 기나긴 세월 동안 우주 전역에 생명의 씨앗을 뿌리고 다녔을지도 모른다. 이 모든 것은 수소와 탄소, 그리고 산소의 간단한 결합 구조 덕분이며, 이 사실을 알 수 있었던 것은 슈뢰딩거의 파동방정식 덕분이었다. 슈뢰딩거는 파동방정식의 해를 면밀히 검토한 후 ‘생명의 본질은 미지의 분자를 통해 암호의 형태로 전달되며, 이 모든 것은 수학으로 설명할 수 있다’고 결론지었다.

ㆍ생명공학의 3단계
1) 게놈(유전자 집합) 지도 작성하기
2) 각 유전자의 기능 알아내기
3) 유전자 수정 및 개선
 

7장 지구 녹화하기

 

8장 지구 먹여 살리기

 

9장 지구에 에너지 공급하기

 

3부 양자의학

10장 양자건강

 
ㆍ인간의 기대수명을 연장시켜준 혁명
1) 공중위생
2) 현대의학 (항생제 및 백신 의약품)

11장 유전체 편집과 암 치료

 

12장 인공지능과 양자컴퓨터

ㆍ디지털 컴퓨터의 상식문제
- 물은 건조하지 않고 축축하다.
- 어머니는 딸보다 나이가 많다.
- 끈으로 물체를 당길 수 있지만, 밀 수는 없다.
- 막대로 물체를 밀 수 있지만 당길 수 없다.
 

13장 영생

ㆍ세포가 보유한 에너지의 대부분은 미토콘드리아에서 생선된 것이다. 그러므로 노화로 인한 손상 대부분은 미토콘드리아에 축적될 가능성이 높다. 생활방식을 개선하고 손상된 유전자를 유전공학으로 수리하는 등 외부에서 에너지를 추가하면 열역학 제2법칙을 피해 노화를 거꾸로 진행시킬 수 있을 것이다.

ㆍDNA의 오류는 항상 발생한다. 인간의 경우 분자 수준에서 DNA에 손상을 입히는 사건은 1분당 25~115회씩 일어나고 있다. DNA 복제 사고가 하루에 3만 6000~16만번 이나 일어난다는 뜻이다. 다행이도 우리 몸에는 오류를 복구하는 기능이 있어서 별문제가 없지만, 나이가 들면 복구 기능이 저하되어 오류가 쌓이기 시작하고, 이때부터 노화가 본격적으로 진행된다.
 

4부 세상과 우주의 모델링

14장 지구온난화

 

15장 병 속의 태양

 

16장 우주 시뮬레이션

 

17장 2050년의 일상

 

에필로그 양자 수수께끼

1. 신은 우주를 창조할 때 다른 선택의 여지가 없었는가?
2. 우주는 시뮬레이션인가?
3. 양자컴퓨터는 평행우주에서 계산을 수행하는가?
4. 우주는 양자컴퓨터인가?
(스티븐 호킹)