ETRI WEBZINE

양자기술, 혁명의 시작

양자물리학의 정설은 기본적으로 측정 이전에 존재하는 물리량의 실재를 인정하지 않는다는 것이다. 따라서 우리가 양자물리학을 이해하기 위해서는 ‘측정’이라는 행위를 통해 관측된 물리량이 원래부터 이미 정해져 있는 것이라는 너무나도 당연한 인식을 버려야 한다. 극단적으로 아인슈타인이 “달을 쳐다보지 않는다면 달이 존재하지 않는다는 것인가?” 라는 질문에, 양자물리학은 “그렇다”라고 대답하고 있다.

이러한 다소 형이상학적으로 보이는 논의를 실제 실험으로 증명 가능하게 한 것이 바로 ‘벨 부등식’이다. 과학자들은 벨 부등식 및 이와 관련된 모든 실험 결과들로부터 양자물리학은 측정 이전에 존재하는 ‘물리적 실재(Physical Reality)’를 포기하여야만 비로소 상대성 이론과의 모순 없이 자연을 완벽히 기술할 수 있다는 사실을 알게 되었다^*. 그리고 이러한 지식의 진보를 이끈 실험물리학자들(A. Aspect, J. Clauser, and A. Zeilinger)은 2023년 노벨물리학상을 수상하였다.

이러한 양자물리학이 고전물리학과 다른 극명한 특성을 이해하기 위한 대표적 키워드는 바로 ‘양자중첩’과 ‘양자얽힘’이다.
* 이를 ‘양자비국소성(Quantum Nonlocality)’라고 한다

양자정보기술이 불러온 가능성

정보의 처리 및 가공 능력의 한계는 기본적으로 기반이론이 지배한다. 현재까지의 정보처리를 위한 첨단기기들(예: 컴퓨터, 스마트폰 등)의 개발은 바로 전자기학이 가능케 했다. 그렇다면 양자물리학을 기반으로 하는 정보처리이론은 우리에게 ‘보다 빠르고’, ‘보다 안전하며’, ‘보다 정확한’ 정보처리기기의 개발을 가능케 할 수 있을까?

현시대의 정보과학은 바로 이런 질문에 대답하고 그 기작을 정확히 이해하며 활용하고자 한다. 즉 빠른 컴퓨팅, 안전한 통신, 정확한 측정 및 센싱이 바로 소위 ‘양자정보과학’이 추구하는 본질이다. 이에 양자정보과학은 ▲양자컴퓨팅 ▲양자암호통신 ▲양자센싱 등을 중심으로 빠르게 발전 중이다. 그리고 이러한 발전의 핵심에는 바로 앞서 언급했던 고전 물리학으로는 설명되거나 이해될 수 없는, ‘양자중첩’과 ‘양자얽힘’이 있다.

존 정보이론은 0 혹은 1의 논리값, 즉 비트(Bit)를 기본유닛으로 사용한다. 반면 양자정보이론은 0 혹은 1에 해당하는 양자상태인 ‘양자중첩’을 적극 활용한다. 이를 큐비트(Qubit)라고 한다. 여러 개의 큐비트는 비-고전적 상관관계, 즉 ‘양자얽힘’을 가질 수 있다.

양자중첩은 동시에 여러 입-출력 계산값을 분석 가능케 함으로써 컴퓨팅의 비약적인 속도향상을 가능케 하는 주요 원리의 핵심에 있다. 이를 ‘양자병렬성’이라고 한다. 양자병렬성을 적극 활용하면, 기존 컴퓨터로는 매우 오래 걸리는 계산도 매우 빨리 해결할 수 있는 양자 알고리즘의 설계가 가능하다.

실제로, 2019년 구글은 53큐비트 ‘시커모어(Sycamore)’ 양자 프로세서를 이용하여, 고전기술로는 매우 오랜 계산시간을 갖는 샘플링 문제를 구성했다. 이를 통해 양자 우월성을 증명했다. 최근 IBM은 433큐비트 ‘오스프리(Osprey)’의 개발에 성공하여, 다양한 이론검증 및 활용을 위한 실험을 수행 중이다. ETRI는 현재 국내 양자 알고리즘 및 시스템 소프트웨어 개발 분야에 뛰어난 전문성을 가지고 있으며, 특히 결함허용 양자컴퓨팅을 위한 양자오류보정 등의 연구에 앞장서고 있다.

양자얽힘은 양자암호통신 등에 적극 활용될 수 있다. 양자얽힘은 기본적으로 정보이론 관점에서 기존보다 큰 용량의 정보전달채널을 구성 가능케 하는 중요한 리소스이다. 실제로 양자 텔레포테이션 등의 구체적인 프로토콜은 양자광학계를 이용하여 이미 구현과 활용이 가능한 수준까지 와 있다. 최근에는 양자얽힘 및 양자 비국소성을 통해, 구현 및 측정장비와는 무관한 정보 보안성을 확보할 수 있는 소위 ‘장치독립(Device-independent)’ 시나리오가 개발되었다. ETRI 역시 얽힘을 이용한 양자보안통신 프로토콜 개발과, 이를 활용한 양자인터넷 개발 등의 프로젝트를 이끌고 있고, 특히 양자전송 시스템 표준화에 앞장서고 있다.

양자정보기술이 나아갈 길

『대한민국 양자과학기술 전략』에서 발표한 전략과제 (출처)과학기술정통부

양자기술을 기반으로 발달할 미래는 어떨까? 의료, 바이오, 환경, 자율주행, 우주기술 등 다양한 분야에 양자정보기술이 사용될 수 있을 것으로 기대한다. 또한, 기존 정보처리·컴퓨팅 기술로는 해결할 수 없었던 과학적 난제 해결을 위한 새로운 접근법을 찾을 수 있을지 모른다.

정부는 2035년까지 최소 3조 원을 투자해 양자과학기술을 선도국의 85% 수준으로 끌어올리겠다고 밝혔다. 우리나라 자체 기술로 1,000큐비트급의 양자컴퓨터를 생산하고, 도시 간의 양자 네트워크와 최고 수준의 양자 센서를 개발해 양자경제 중심국가가 될 것을 목표로 했다.

하지만 현재 파악된 국내 양자핵심인력은 고작 384명 정도로 앞서 언급한 양자기술개발 비전을 설계하고 실현하는데 턱없이 부족한 실정이다. 이에 전문인력 양성 및 확보가 가장 시급하다. 또한 온전한 양자컴퓨팅 기술을 실현하고 이를 활용하기 위해서는 계산 중 발생되는 ‘양자오류’를 줄일 수 있는 연구를 비롯하여, 중단기 양자기술 활용을 위한 알고리즘 및 소프트웨어 연구도 병행·지속되어야 한다. 양자정보기술 산업이 점차 커지고 있지만 단기적 목표를 위한 연구보다는 지속적인 지원 아래에서 양자정보기술의 가치비전이 올바른 형태로 실현될 수 있도록 모두가 노력해야 할 것이다.