1982년 파인만에 의해 양자 컴퓨터의 개념이 제시된 이래 이 분야의 연구에 기폭제가 된 것은 현대 암호를 격파 할 수 있는 양자 알고리듬들의 개발과 핵자기 공명장치에 의한 실제 양자 컴퓨터 하드웨어의 구현이었다.

 양자 컴퓨터를 실제로 만들려는 학자들의 노력은 1995년 이온덫으로 처음 시도되었다. 이온덫은 문자 그대로 전기장을 이용해 이온을 잡아두는 덫을 만들어 공중에 둥둥 띄워놓은 것으로 원자 하나하나를 연구할 수 있게 해주고 있다. 이 연구 발표는 미국표준연구소에서 나온 것이었다. 양자 알고리듬의 완전한 실험적 구현은 1998년 핵자기 공명을 이용해 옥스퍼드의 조나단 존스에 의해 처음으로 이루어졌다.¹⁾ 핵자기 공명의 원리는 MRI라고 불리는 자기공명영상기의 사용되는 원리인데, 이 방법에서 양자 정보는 원자핵의 자전에 담겨진다. 그리고 이 자전은 자기장에 민감하다. 자기장을 변화시킴으로써 핵에 있는 양자 정보를 다룰 수 있다는 것이다.²⁾ 양자게는 외부의 간섭에서 완전히 고립되기가 무척 힘들기 때문에 0이나 1인 상태를 가만히 두어도 점점 1이나 0으로 바뀔 확률이 커진다. 0이나 1인 상태가 그대로 유지되는 시간을 결맞춤 시간이라고 부르는데, 이 시간 안에 연산을 끝마치지 않으면 결과가 틀릴 확률이 점점 커지므로 결맞춤 시간은 한 양자계가 양자 컴퓨터가 되기 위한 가장 중요한 조건 중의 하나이다. 핵자기 공명 양자 컴퓨터는 핵 스핀을 큐빗으로 사용하는데 핵 스핀은 외부와의 상호작용이 매우 적기 때문에 다른 양자 컴퓨터들에 비해 상대적으로 결맞춤 시간이 길다. 또한 핵자기 공명에서는 스핀을 조작하는 온갖 현란한 실험기법이 이미 개발되어 있기 때문에 다른 양자계를 이용한 방법들에 비해 구현이 훨씬 유리하다. 이런 이유들로 핵자기 공명 양자 컴퓨터는 가장 빨리 발전하여 2003년 7비트를 제한적으로 제어하는 실험결과가 보고되었다. 이 정도의 양자 컴퓨터로 할 수 있는 일이란 0에서 7까지의 수 중에서 어떤 수가 소수인지 찾아주는 정도이므로 아직 까지는 장난감 수준이다. 최초의 핵자기 공명 양자 컴퓨터의 아이디어는 1996년 MIT의 데이비드 코리에 의해 나왔으며 이듬해인 1997년에는 존스, 코리 외에도 아이작 추앙등의 그룹들이 실험결과를 보고하기 시작하였다.³⁾

 양자 컴퓨터는 현재, 많은 나라에서 국가적 지원 하에 연구되고 있다. 최근 호주의 퀸즈랜드 대학의 정현석 박사가 광자빔을 반거울(빛의 반은 통과시키고 반은 반사시키는 거울)로 둘로 나눈 뒤, 한쪽에서는 광자들이 서로 다른 위치에 중첩되어 있도록 만들고 다른 한쪽에서는 이를 측정할 수 있는 아이디어를 내놓았다. 양자컴퓨터는 중첩된 양자 상태를 이용해 복잡한 계산을 순식간에 끝낼 수 있지만, 거시세계에서 양자상태를 유지하는 것이 난제였다. 정 박사의 연구 결과로 이 문제를 해결할 수 있는 가능성이 높아졌고, 이는 양자 컴퓨터의 현실화에 접근하였다는 평을 받고 있다.⁴⁾

 하지만 전자나 광자 등과 같이 양자 역학의 규칙을 따라야 하는 입자들을 하나하나 따로 제어하는 것은 현 과학기술 수준에서 매우 어려운 일이며, 거의 발달되지도 않았다. 다시 말해서 양자정보과학 및 기술은 나노 기술 중에서도 가장 고난도를 요구하는 최첨단 기술이며, 현 나노 기술의 수준이 걸림돌이 되어 발전이 늦어지고 있다. 양자 정보과학에서 조금씩이나마 단일 입자의 양자 상태를 조작하는 기술이 발전하면서 새로운 사실들을 알게 되었으며, 양자정보과학은 양자역학에 대한 이해를 증진시키고 쉽게 이해시키는 도구로서의 역할이 중요하게 떠올랐다. 언젠가는 일반대중이 양자 컴퓨터를 이용할 날이 오기는 하겠지만 그 날은 실용적이 양자 컴퓨터가 개발되고 나서도 한참 후가 될 것이다. 현재 사용되는 암호를 격파할 수 있는 정도의 양자 컴퓨터가 개발된다면 극비에 부쳐져서 극소수를 제외하고는 그 사실을 모를 것이기 때문이다. ⁵⁾

 나도 또한 이 생각에 동의한다. 양자 컴퓨터에 낙관적인 전망과 비관적인 전망이 뒤섞여 있지만, 양자 컴퓨터의 실현화에 대해서는 가능성이 있다고 보여진다. 이순칠 박사의 이야기처럼, 현재 개발되고 있는 연구결과들이 공개가 되어있지 않음으로써, 현재 우리가 알고 있는 양자컴퓨터에 관한 연구 결과보다 더 발전적인 성과를 가지고 있을 것이라고 믿어 의심치 않고, 가까운 미래에 양자 컴퓨터를 실용화하여 사용할 수 있는 날이 올 것이라고 굳게 믿는다.

5) 양자 컴퓨터, 21세기 과학혁명- 이순칠, 살림 출판사.

양자 컴퓨터의 개념을 처음 만든 사람은 리처드 파인만이라고 한다. 하지만 이 전에도 양자 컴퓨터의 개념을 생각해내기 위해서 치열한 과학자들의 논의가 있었다.

먼저, 란다우어의 법칙이다. 이는 연산에 에너지가 소모되어야 할 이유가 없다는 것이다. 즉, 메모리의 용량이나 CPU의 속도가 약 1.5년에 2배씩 증가하다는 무어의 법칙에 도전하는 것이다. 무어의 법칙에 따르면 CPU가 연산할 때는 에너지를 소모하기 때문에 연산속도가 천 배씩 빨라지면 초당 발생하는 열도 천배가 는다. 이를 막기 위해 연산 하나당 소모하는 에너지를 줄이는 연구가 끊임없이 계속 되어 왔으며 모자라는 부분은 냉각장치로 해결한다. 하지만 연산에 에너지가 소모되어야 할 이유가 없다. 이는 계산의 궁극적 한계에 관심을 가졌던 롤푸 란다우어가 처음 알아내었다. 그에 따르면 연산에는 에너지가 필요하지 않지만 정보를 지우는 데는 에너지가 필요하며, 그 에너지도 분자 하나의 운동 에너지와 비슷한 정도이다. 컴퓨터는 연산만 하는 것이 아니라 정보를 지웠다 썼다 하기도 하므로 기본적으로 에너지를 소모하기는 해야 하지만, 우리가 사용하는 컴퓨터는 이 이론적인 한계값보다훨씬 많은 열을 발생시킨다. 즉 구조 자체가 비효율 적이어서 쓸데없이 열을 발생시키고 있다는 것이다.

그 후로, 란다우어의 부하였던 베넷에 의해 가역적으로 연산하는 컴퓨터를 만들어보자는 생각이 나왔다. 정보를 지우는 데 에너지가 사용되는 이유는 엔트로피가 증가하기 때문이다. 엔트로피는 한번 증가하면 자발적으로 감소하지 않으므로, 엔트로피가 증가하는 가정은 비가역과정이라고 부르고, 역으로 엔트로피의 변화가 없이 일어나는 과정은 거꾸로 돌아갈 수 있으므로 가역적이라고 한다. 우리가 사용하고 있는 컴퓨터는 비가역적으로 연산하며, 이 때문에 사용 가능한 에너지가 소모되면서 열이 발생한다. 베넷의 제안은 바로 가역적으로 연산하는 컴퓨터를 만들어 열 발생을 없애보자는 것이었다.

이 후 1980년에 폴 베니오프가 자연계, 그 중에서도 양자역학의 지배를 받는 자연계에서 가역적인 연산을 할 수 있다고 처음 아이디어를 내었다.

이러한 과학자들의 논의도 있었지만, 파인만은 가역적인 성질에 주목하여 양자 컴퓨터를 생각한 것이 아니라, 연산속도를 획기적으로 높일 수 있는 방법으로서 생각하게 되었다. 가역성과 획기적인 연산 속도는 양자 컴퓨터가 현재 쓰이는 고전 컴퓨터와 다른 두 가지 대표적인 특징이다. 일단 양자 컴퓨터의 엄청난 연산속도에 주목하게 되자 이제는 더 이상 발생하는 열이 주 관심사가 아니게 되었다. 비가역적인 고전 전산 방식의 열 발생 문제의 해결이라는 소극적 차원에서 바라보는 것이 아니고 양자계만이 지닌 성질을 적극 활용하여 완전히 새로운 차원의 컴퓨터를 만들어보자는 것이었다.¹⁾ 파인만이 보기에 컴퓨터 모의실험은 대부분 양자계를 대상으로 삼지만 컴퓨터는 원칙적으로 고전역학적 기계였다. 그래서 모의실험은 결국 양자역학적 상태변화를 고전적인 방식으로 기술하는 것과 마찬가지인데, 이때 필요한 정보의 양은 시간에 따라 지수함수적으로 늘어났다. 예를 들어 10초 동안의 양자역학적 변화를 계산하는데 필요한 시간은 1초 동안의 변화를 계산하는데 걸리는 시간의 열 제곱 정도로 늘어난다. 파인만은 이 문제를 골칫거리로만 여기지 않고 상황을 뒤집어 보았다. 그는 모의실험의 목적이 실제 실험과 같은 결과를 계산해 내는 것이라면 실제 실험을 양자계에 대한 고속 계산과 마찬가지인 것으로 볼 수 있다고 지적하였다.

 파인만의 발상은 3년 후 옥스퍼드의 물리학자 데이비드 도이치(David Deutsch)의 논문으로 이어졌다. 그는 보편적 양자 컴퓨터를 기술하고 현재 모든 컴퓨터의 이론적 모형인 튜링 기계가 보편적 양자 컴퓨터의 고전역학적 대응물임을 지적하였다. 이 논문은 양자 계산에 대한 호기심을 끌어 올렸고, 1994년에는 벨연구소의 피터 쇼어(Peter Shor)가 양자 컴퓨터를 이용한 인수분해 알고리듬을 발표하였다. 오늘날 사용되는 컴퓨터 보안용 암호화 체계는 모두 숫자가 커질수록 인수분해에 걸리는 시간이 지수함수적으로 증가한다는 점에 기초하고있다. 그런데 쇼어의 알고리듬을 이용할 수 있다면 큰 숫자를 아주 빨리 인수분해할 수 있기 때문에 이것은 기존의 컴퓨터 보안 체계의 근간을 흔들 수도 있는 중대한 발견이었다. 이런 놀라운 결과가 물리학자들의 이론적 연구로 간주되었던 분야에서 나왔다는 사실은 컴퓨터 과학자들이 양자역학을 배우기 시작하고 또 물리학자들이 물리학자로서 컴퓨터 연구에 대거 뛰어들게 된 계기가 되었다. ²⁾

 양자 컴퓨터를 이해하기 위해서는 우선 양자역학에 대한 기본적인 이해가 필요하다. 이제까지(대학에 와서 “현대물리학과 인간사고의 변혁” 이라는 강의를 듣기 전까지) 양자역학이라는 것은 초등학생 때 아버지의 책상에 꽂혀있던 양자역학 책을 본 것이 전부였다. 당시 궁금함을 참지 못하고 읽어본 적이 있는데, 무슨 말을 하는지 도통 모르겠고, 수식이 가득했던 것으로만 기억이 난다. 그 이후로 다시는 아버지 책을 펼쳐보지 않았던 것 같다. 어렸을 적부터 이미 질려 버렸던 것일까.^^ 물론 아버지도 뒤늦게 대학을 다니시면서 양자역학만큼은 엄청 어려우셨던 것 같다. 다른 책들은 필기자국이 있었는데, 이 책만큼은 엄청 깨끗하고 손 한 번 대보지 않았던 것처럼 보였기 때문이다. 어찌 되었든 대학에 와서 물리학교양을 듣게 되면서, 다시금 양자역학에 대해 도전해보기로 마음을 먹었다. 하지만 양자역학에 들어가기 시작한 수업 처음에 교수님께서는 이해되지 않고 답답한 마음이 드는 게 정상이라고 하셨다. 양자역학 수업을 듣고 처음에는 굉장히 흥미가 있었는데, 수업을 마치면서 정말 답답하고 이해가 안 되기 시작했다. 생각하면 생각할수록 점점 미궁 속으로 빠지는 기분이었다. 양자 컴퓨터에 대해 조사하면서, 양자역학에 관한 책을 많이 찾아보았는데, 양자역학에 대해 쉽게 설명해놓은 책들이 많아서 도서관 책장에 기대어 읽어봤는데, 그 책들의 공통적인 결과는 “이해가 안 되는 것이 정상”이었다. 이렇게 뭔가 찜찜한(?) 구석이 많은 양자역학이라는 것은 대체 무엇인가? 사이버 캠퍼스에도 올라 왔던 매일 경제의 기사를 읽어 보니 이해가 되었다.(이해가 된다니? 비정상인 것인가?^^ 그게 아니라 양자역학이 어떠한 내용인지 조금은 이해가 되었다는 뜻이다.) 과제를 하기 위해 인터넷 검색을 통해서 찾아내긴 한 것이지만, 나중에 보니 사이버 캠퍼스에도 똑같은 기사가 있었다.

 물리학의 종말이 선언됐던 해에 독일에서 플랑크(Planck)라는 이론물리학자는 `양자가설`을 발표했다. 당시 보기에는 거의 완성된 듯한 물리학의 `사소한` 결함을 메우기 위한 시도였다. 양자가설에 의하면 빛의 에너지는 더 이상 쪼갤 수 없는 에너지 알갱이들로 이뤄졌다. 그런 알갱이를 양자(quantum)라고 부른다. 이러한 양자가설에서 출발한 양자물리는 기존 물리학의 `사소한` 결함을 메우는 데는 성공했지만 시간이 지날수록 만병통치약이 아니라 약 주고 병 주는 학문이라는 인식이 퍼졌다. 사람들 상식에 어긋나는 현상을 예측했기 때문이다. 그런 모순(paradox) 중 하나가 바로 `슈뢰딩거의 고양이
(Schrodinger`s cat)`라는 사고실험(Gedankenexperiment：현재까지 알려진 물리법칙에 부합하도록 전개하는 가상 시나리오)이다. 양자물리학에서 슈뢰딩거 방정식으로 잘 알려진 슈뢰딩거가 제시한 가상 실험은 다음과 같은 내용이다.

“독약 살포 장치와 고양이를 상자 안에 넣고 상자를 밀폐한다. 정확히 1분이 지나면 독약이 상자 안에서 살포될 확률은 50%다. 그럼 1분 뒤 고양이는 죽었을까 살았을까?”

실험은 이 질문에 대한 답을 구하고자 한다. 상식적으로는 고양이는 죽었을 수도 있고 살았을 수도 있다. 그럼 상자를 열어서 확인하기 전까지는 고양이의 상태를 모른다는 것인가?

아니다. 양자물리에 의하면 고양이의 상태는 정확히 알려져 있다. 양자물리의 정답을 따르면 고양이는 `반은 살아 있고, 반은 죽어 있는 중첩상태`에 있다는 것이다. 이것을 어떻게 해석해야 할 것인가?

 우리가 보통 말하는 확률은 우리의 무지에서 비롯한다. 상자 속 고양이는 `분명히 죽었거나 살았거나 둘 중 하나겠지만 우리가 눈으로 확인하기 전까지는 모를 뿐`이라는 것이 일반인의 생각이다. 그래서 `고양이가 살아 있을 확률은 반, 죽어 있을 확률 역시 반`이라고 말한다. 반면 양자물리에서 확률의 개념은 자연의 근본이다. 상자 속 고양이는 살아 있는 것도 아니고 죽어 있는 것도 아니다. 굳이 말로 애써 표현하면 `반은 살아 있고 반은 죽어 있는 것`이다.

고양이의 상태를 확인하려고 상자 뚜껑을 여는 순간, 고양이는 분명히 살아 있거나 죽어 있다. 다만 상자를 여는 동작과 같은 관측행위를 하기 전까지는 고양이는 쉽게 연상이 되지 않는 중첩 상태로 존재한다. 이것이 양자물리에서 말하는 `슈뢰딩거 고양이`의 패러독스다. 슈뢰딩거 고양이는 양자중첩이라는 현상이 우리들의 상식과 얼마나 거리가 먼지를 보여주는 극단적인 예다. 그러나 이러한 현상은 실제로 원자나 분자, 그리고 레이저 펄스로 이뤄진 빛에서 나타날 수 있다. 이런 개념상의 슈뢰딩거 고양이는 최근에 여러 실험을 통해서 관찰되고 있다. 비록 일상생활과 거리가 멀고 일반상식으로는 이해하기 어렵지만, 슈뢰딩거 고양이의 핵심인 양자 중첩이라는 현상이 최근에는 새로운 형태의 기술에 응용되고 있다. 지금까지 방식으로는 원천적으로 불가능한 문제를 해결할 수 있는 잠재적 가능성을 제시했기 때문이다.¹⁾

 양자 컴퓨터란 양자의 중첩 현상과 얽힘 현상을 이용한 컴퓨터이다. 즉, 양자역학에 기반을 둔 독특한 논리 연산법을 컴퓨터 분야에 도입함으로써 지금의 컴퓨터와는 차원이 다른 새로운 첨단 컴퓨터를 만들 수 있다는 생각에서 나온 것이다.¹⁾

                                             1950년대 이후 트랜지스터가 발명되고 반도체 집적회로 기술이 
                                             발전하면서 논리소자로 이를 채용한 컴퓨터 역시 비약적으로
                                             발전하게 되었고, 오늘날에도 컴퓨터의 크기는 갈수록 작아지면
                                             서도 성능은 더욱 좋아지는 추세가 이어지고 있다. 메모리 용량
                                             이나 CPU의 속도가 약 1.5년에 2배로 증가한다는 이른바 '무어
                                             의 법칙'은 아직도 건재하면서 컴퓨터 성능의 고도화를 이끌어
                                             왔다고 볼 수 있다. 지금의 추세라 면 2020년에는 한 bit를 저장
                                             하는 메모리의 크기가 원자 하나의 크기가 되는데 메모리의 크기
                                             가 작아 지면 원자 크기에 이르기 훨씬 전인 수십 나노미터 정도
                                             부터 양자 효과가 나타나기 시작하여 지금과 같은 고전적인 방식
                                             의 메모리는 작동할 수 없다고 추정한다. 무어의 법칙처럼 지수
                                             함수적인 성장이 적용 되는 또 하나의 예는 CPU가 사용하는 에너지이다. CPU가연산할 때는 에너지를 소모하기 때문에 연산 속도가 천 배씩 빨라지면 초당 발생하는 열도 천 배가 늘어 난다. 더구나 앞으로 컴퓨터의 속도가 빨라지면 빨라질수록 더욱 많은 열을 내게 되면 결국 컴퓨터는 열 때문에 계산은 커녕 녹아버릴지도 모른다. 이를 막기 위해 열을 식히기 위해 냉각장치를 사용하는데 당연히 컴퓨터는 시끄러워진다.  이순칠 박사는 CPU가 연산 하나를 수행하는 데 드는 에너지를 지금처럼 계속 지수함수적으로 줄여간다면 2020년에는 분자 하나의 운동 에너지와 비슷해진다고 설명한다. 이 말은 어떤 연산을 하려 해도 주변의 잡음신호 때문에 정확히 되지 않으며 더욱이 연산을 하지 않을 때에도 잡은 신호가 엉뚱한 연산을 하기도 한다. 현재 사용하고 있는 컴퓨터로서는 어쩔 수 없는 일인데 여기에 청신호가 들어왔다.

 롤프 란다우어가 연산에는 에너지가 소모되어야 할 필요가 없다는 것을 밝힌 것이다. 그에 따르면 연산에는 에너지가 필요하지 않지만 정보를 지우는 데는 에너지가 필요하며 그 에너지는 분자 하나의 운동에너지와 비슷하다는 것이다. 컴퓨터는 연산만 하는 것이 아니라 정보를 지웠다 쓰기도 하므로 기본적으로 에너지를 소모해야 하지만, 현재의 컴퓨터는 이 이론적인 한계 값보다 훨씬 많은 열을 발생시킨다. 즉 구조 자체가 비효율적이어서 쓸데없이 많은 열을 발생시킨다는 뜻이다. 이러한 다소 복잡한 문제점을 극복할 수 있는 새로운 개념의 컴퓨터가 바로 ‘양자 컴퓨터(Quantum Computer)’이다.²⁾

  양자 컴퓨터는 현재의 컴퓨터와는 기본부터 다른 컴퓨터이다. 지금의 컴퓨터는 비트(bit)라고 하는 0과 1의 두 가지 상태 중의 하나를 기본으로 한다. 하지만 양자컴퓨터는 큐빗(Qubit)을 단위로 하고 0과 1이 중첩된 상태를 기본으로 한다. 쉽게 설명하면 지금의 컴퓨터는 0이나 1의 두 가지 중 하나의 정보만 받아들이지만 양자 컴퓨터는 두 가지 상태를 동시에 받아들일 수 있다. 따라서 하나하나가 따로 계산하는 오늘날의 컴퓨터보다 동시에 여러 가지를 계산하는 방식을 병렬 연산이라고 하는데, 양자 컴퓨터는 바로 병렬 연산이 가능하기 때문에 막강한 성능을 발휘 할 수 있는 것이다.³⁾

3) 세계 명작 속에 숨어 있는 과학2(최원석, 살림출판사)

 최근 일본에서 인기리에 방영 중인 유한클럽이라는 드라마가 있다. 평소 일본드라마를 보는 것이 취미인데다가, 좋아하는 꽃미남 탤런트가 주인공이어서 1회부터 즐겨 보고 있다. 이 드라마는 각기 개성이 뚜렷한 명문가 자제 6명이 학교에서 각종 사건을 해결는 학원 코메디이다. 유한클럽 1화에서는 전국 사립고등학교가 모여 댄스 대회를 하는데, 우승이 유력한 각 학교의 출전 선수들이 회 직전에 피습을 당하는 일이 발생하여서 이들이 나서서 해결하는 내용이었다. 주최 측 학교의 이사장이 경영난을 타파하기 위해 자신의 학교 학생을 우승을 하게 하고, 우승 후보에 관해서 도박을 하게 하여 많은 돈을 가로채려 하는 것이었다. 주인공인 미로쿠가학원 이사장의 컴퓨터를 해킹하면서 음모의 실체가 드러나게 된다. 주인공 미로쿠는 컴퓨터와 기계를 잘 다루는 고교생으로 나오는데, 이러한 미로쿠의 앞에서 이사장의 컴퓨터는 1분도 채 되지 않아, 모든 정보를 술술 뱉어낸다.
이 드라마에서처럼 해킹은 좋은 일에 쓰이기도 하지만, 나쁜 일에 쓰이는 경우도 많다. 해킹은 기본적으로 암호화 된 정보를 풀어내는 역할을 하는데, 양자역학을 이용한 양자컴퓨터라는 존재가 나타나게 되면, 이러한 암호는 암호로서의 존재가치를 잃게 된다. 
그렇다면 이러한 양자컴퓨터는 과연 무엇이고, 어떻게 생겨났으며, 어떻게 활용될 것인가?