양자 컴퓨터 개발경쟁 뜨겁다

미래 과학을 얘기할 때 빠지지 않는 것이 '양자컴퓨터'다. 기술관련 조사기관인 미국의 가트너는 10~15년 안에 양자컴퓨터 기술이 부각될 것으로 전망했다.과학기술과 정보기술(IT) 산업에 혁명적인 변화를 몰고 올 양자컴퓨터는 과연 어떻게 구현되고 어디까지 개발되고 있을까.

◇양자컴퓨터란

현재 사용하고 있는 컴퓨터의 연산 기초단위는 트랜지스터. 컴퓨터는 '0'과 '1'의 두 가지 상태로 정보를 처리한다.

트랜지스터를 빛(陽子)이나 전자 같은 입자로 대체하겠다는 것이 바로 '양자(量子) 컴퓨터'. 전자는 정지해 있는 것이 아니라 회전(Spin)을 하며 방향에 따라 '업(UP)', '다운(DOWN)'으로 구별된다. 전자가 하나일 때는 트랜지스터와 마찬가지로 두 가지 상태를 0과 1로 표시할 수 있다.

전자가 2개 중첩되면 상황이 전혀 달라진다. 업-다운의 조합이 4개 만들어진다. 이는 한번의 입력으로 4가지 연산을 동시에 수행할 수 있다는 것을 의미한다.

10개를 중첩하면 1,024번, 50개를 중첩되면 2의 50제곱, 즉 1,000조번 이상의 연산을 동시에 해낼 수 있다. 이렇게 되면 지금의 컴퓨터는 말 그대로 '고철 덩어리'로 전락하고 만다.

◇양자컴퓨터의 역사

양자컴퓨터에 대한 아이디어를 처음 생각해 낸 사람은 IBM연구소에 근무했던 롤프 랜다우(1927~1999). 그는 지난 61년 현재의 연산모델로는 초전도체를 사용하더라도 열이 발생하는 문제를 해결할 수 없다는 사실을 간파하고 열이 발생하지 않는 양자계 연산 모델을 가정했다.

미국의 유명한 물리학자인 리처드 파인만(1918~88)은 80년대 양자 컴퓨터의 기본 개념을 제시한 논문을 발표했다. 하지만 이 논문은 한 동안 큰 관심을 끌지 못했다.

양자컴퓨터가 다시 주목을 받은 것은 지난 94년. AT&T 연구소에 근무하던 피터 쇼어라는 과학자가 7큐비트 알고리즘을 제안하면서 전세계적으로 활기를 띠고 있다.

큐비트는 퀀텀 비트(Quantum Bit)의 줄임말로 1 큐비트는 양자 한 개로 연산을 수행하는 개념. 7큐비트 알고리즘은 현재까지 개발된 가장 복잡한 양자컴퓨터 연산 개념이다.

◇치열한 개발 경쟁

각국에서는 양자컴퓨터를 상용화하기 위해 활발한 연구를 진행하고 있다.

IBM의 왓슨연구소에서는 '쇼어 알고리즘'을 구현하는 분자를 제조, 7큐비트 현상을 일부 실험으로 증명했다.

현재 IBM은 매년 양자컴퓨터 워크숍을 개최하는 등 양자컴퓨터를 상용화하기 위한 연구를 활발하게 전개하고 있다.

미국에서는 또 국립표준기술연구소(NIST)와 로스알라모스국립연구소, 국가안전보장국(NSA) 등 국가 연구기관에서 양자컴퓨터 기술 개발에 뛰어들고 있다.

영국의 옥스퍼드 대학에 양자컴퓨터센터를 설립, 운영하고 있으며 일본 등 선진국에서는 연구가 활발하다.

우리나라의 양자컴퓨터 연구는 아직 초기단계. 한학기술원(KAIST)이 '핵자기공명(NMR) 양자컴퓨터 연구실'을 과학기술부 지정으로 운영되고 있는 것이 그나마 다행이다.

KAIST 물리학과 이용희 교수는 최근 파장이 빛보다 작은 레이저를 개발, 광 컴퓨터 개발의 전기를 마련했다. 일부 대학에서도 최근 들어 기초 연구에 뛰어들고 있다.

IBM연구소의 한 연구원이 7큐비트 연산을 수행하는 양자컴퓨터 분자 물질을 관찰하고 있다.

레이저를 이용해 정지시킨 바륨(Barum) 이온이 서로 중첩돼 있는 모습.

문병도기자