양자컴퓨터 시대가 온다

‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터에 성큼 다가섰다. 한국인 과학자들이 물질의 새로운 상태를 발견하고 원자 하나에 디지털 신호를 담는데 성공했기 때문이다. 양자컴퓨터는 0과 1의 비트(bit)가 아닌 0과 1의 값 중 하나를 취하거나 혹은 모두를 취하는 큐비트(qubit) 방식으로 복잡한 계산을 한 번에 해 낸다. 구글은 지난해 9큐비트에 이어 올해 49큐비트 양자컴퓨터를 개발한다고 선언해 관심을 모았다.

9일 국제학술지 ‘네이처’는 두 가지 주목할 만한 논문을 발표했다. 하나는 원자 하나에 디지털 신호를 담는 기술이고 다른 하나는 물질의 새로운 상태를 발견했다는 것이다.

네이처는 안드레아스 하인리히 IBS 양자나노과학연구단장(이화여대 물리학과 석좌교수)이 원자 하나하나에 1비트의 정보를 안정적으로 기록하고 읽는데 성공했다고 발표했다. 정보를 저장하고 처리하는데 실리콘 반도체 대신 원자를 이용할 수 있게 됐다는 의미다.



실리콘 반도체는 트랜지스터 크기를 줄여가면서 저장용량을 늘리고 처리속도를 높여 왔지만 한계에 이른 상황이다. 현재 10nm(나노미터·10억분의 1m) 공정이 개발됐지만, 작은 간격으로 회로를 설계하면 터널링 현상으로 인한 간섭이 발생해 더 이상 회로를 고도화해 성능을 높이는 것이 힘들다. 연구팀은 홀뮴(Ho) 원자 한 개로 1비트를 읽고 쓰는데 성공했다. 홀뮴으로 USB를 만들면 영화 50만편 저장이 가능하다.

양자컴퓨터는 큐비트 연산을 한다. 중첩은 한 입자가 여러 곳에 동시에 존재할 수 있다는 의미로 0과 1로 4가지(00,01,10,11) 상태를 표시할 수 있다. 그래서 n개의 큐비트로는 2의 n제곱 수 만큼 표현할 수 있다. 0과 1의 비트를 사용하는 컴퓨터와는 비교할 수 없을 정도로 훨씬 더 빠르다. 인간이 수백 년 동안 계산하는 수식을 수초 만에 계산이 가능하다는 것이 전문가들의 설명이다.

네이처는 또 표지논문을 통해 “한국인 과학자들이 ‘시간 결정’(結晶)을 구현하는데 성공했다”고 발표했다. 시간 결정은 물질의 특수한 상태로 지금까지 이론으로만 존재하다가 이번에 처음 실험으로 구현했다. 시간 결정은 물질이 공간이나 시간에 따라 불변인 형태를 갖고 있다는 ‘대칭’ 이론을 깨는 것으로 향후 양자 컴퓨팅 개발에 새로운 전기를 마련해 줄 것으로 기대한다.

이에 따라 양자컴퓨터 개발에도 속도가 붙을 전망이다. 구글과 IBM, 마이크로소프트 등 글로벌 기업들은 양자컴퓨터 개발에 투자를 늘렸다. 캐나다의 디웨이브 시스템사는 2011년 128큐비트의 첫 상용 양자컴퓨터 디웨이브(D-WAVE)를 개발했고, 구글은 2015년 한층 개선된 1,000큐비트의 ‘디웨이브2X’를 도입했다. 또 구글은 지난해 초전도 회로를 이용한 9큐비트 양자컴퓨터에 이어 올해 49큐비트 양자컴퓨터를 내놓을 계획이다.