양자 컴퓨터

 
그는 아인슈타인만큼은 아니지만, 물리학자로써 리처드 파인만만큼 유명한 사람을 찾기도 힘들 정도로 대중성 있는 과학자였다. 그리고 실제로 확실하게 천재였다.
 
파인만은 여러 가지 분야에 탁월한 업적을 남겼지만, 그 중 하나가 바로 오늘 이야기의 주인공인 '양자 컴퓨터'의 가능성에 대한 최초의 구상이다. 물론 아직까지는 미완이지만 말이다.
 
양자 컴퓨터를 이해하려면, 사실 매우 어려운 양자역학에 대한 이해를 해야 한다. 또한 현재 컴퓨터의 원리에 대해서도 알아야 한다. 물론 사람에 따라서 우리가 지금 사용하고 있는 컴퓨터의 원리를 어느 정도 이해하는 분도 있겠지만, 보통 사람들이라면 반도체라는 말만 알고 있을 뿐, 사실상 그것이 가진 의미와 동작원리에 대해서 제대로 아는 것은 좀 무리라고 판단된다.
 
또한 이 글을 쓰고 있는 나 자신도 그것들에 대해 약간의 지식만 있을 뿐, 결코 깊은 이해를 하는 수준이 아니다. 그래서 오늘은 가능하면 단순하게 이것들을 설명해나갈 생각이다. 이것은 그렇게 하겠다는 의지가 아니라 능력부족으로 인해서 그럴 수 밖에 없다.
 
일단 먼저 우리가 현재 사용하고 있는 반도체 방식의 컴퓨터를 이해해보자. 과연 이것은 어떤 원리로 지금 이 글을 쓰거나 읽고 있는 각종 장비들이 그것을 해낼 수 있도록 해줄까?
 
반도체 방식의 컴퓨터의 기본 데이터 저장 방식은 불이 들어온 상태와 불이 꺼진 상태 두 가지를 가질 수 있는 수 많은 전등을 가지고 표현을 한다.
 
그래서 전구가 2개가 있다면, 둘 모두가 꺼지면(00) 그것을 0, 앞에 것이 꺼지고 뒤의 것이 켜지면(01) 1, 앞의 것이 켜지고 뒤의 것이 꺼지면(10) 2, 둘 모두 켜지면(11) 3으로 간주한다.
 
여기에서 간주한다는 말이 중요하다. 사실 이것을 각각 ㄱ,ㄴ,ㄷ,ㄹ 로 간주해도 되고, A,B,C,D 로 간주해도 된다. 이것은 그냥 약속이다. 이런 약속은 깃발 두 개를 가지고도 할 수 있다. 멀리 떨어진 두 사람이 깃발 양손에 깃발 두 개를 들고 올리거나 내리면서 어떤 신호를 보낼 수 있다.
 
이것들이 각각 어떤 것을 의미하는지는 그저 사전에 정해진 약속이다. 두 깃발을 모두 올리면 평화로운 상태이고, 두 깃발을 모두 내리면 적이 쳐들어오는 상태일 수 있다. 이것은 봉화의 원리와도 같다.
 
사실 깃발이나 봉화나 반도체의 전구나 모두 그 목적은 바로 정보의 저장 혹은 전달이다. 즉, 우리가 컴퓨터라는 장비를 쓰는 이유가 바로 정보를 생성하고, 전달하고, 보는 과정을 아주 빠르고 쉽게 해주기 때문이다.
 
정보의 저장은 과거 한 개의 전구에서 지금은 전구 자체를 아주 작게 만들어서 수천억 개의 전구를 아주 좁은 공간에 넣을 수 있게 됨으로써 발전해왔고, 정보의 전달은 과거 편지, 전보, 유선전화, 인터넷, 무선전화 등을 거치면서 아주 빠르게 발전되어 왔다.
 
물론 계속 전구라는 용어를 쓰니 어떻게 전구를 그렇게 작게 만들 수 있겠는가 하는 의문이 들 수 있다. 사실 이것은 실제로는 전구는 아니다. 이것은 전기가 통하기도 하고, 통하지 않기도 하는 어떤 특별한 물질이 가진 특성을 이용한다. 그리고 전기가 통하는 상태는 전구가 불이 들어 온 것으로, 반대로 전기가 통하지 않는 상태는 전구의 불이 꺼진 상태로 간주한다.
 
이 특별한 물질이 바로 반도체이다. 말 그대로 반절만 도체인 물질이다. 원래 도체란 말 자체가 전기가 통하는 물질을 칭하는 것이니 이 말은 적절하다. (이 물질은 흔히 실리콘이라고 칭해진다)
 
우리는 흔히 IC란 말도 듣는다. 집적회로의 약자인데, 이 하나의 전구를 얼마나 좁은 공간에 밀어 넣느냐를 뜻하는 말이다. 반도체는 집적도가 높으면 높을수록 좁은 크기에 더 많은 정보를 담을 수 있다. 즉, 요즘은 그 집적도가 워낙 대단해서 손바닥만한 스마트폰이 거의 PC급 성능을 낸다.
 
그래서 다들 알다시피 대부분의 전자제품은 작아질수록 비싸진다. 왜냐하면 좀 더 고급기술이기 때문이다.
 
요즘 반도체 집적도는 원자크기 단위로 설명된다. 정확히 기억나지 않지만, 현재 삼성전자가 가진 기술은 원자 13개 정도의 크기까지 줄였다고 한다. 즉, 하나의 전구와 다른 하나의 전구의 간격이 원자 13개의 크기란 뜻이다. 원자의 크기가 얼마나 작은 것을 안다면, 이것이 정말로 얼마나 좁은 공간인지를 상상할 수 있을 것이다.
 
요즘 우리가 쓰는 컴퓨터는 이런 식으로 만들어졌고 엄청난 전구가 밀집되어 있다. 그리고 이 전구 하나를 비트 라는 용어로 칭한다. 영어로 bit 인 비트는 0과 1의 상태를 가질 수 있고 이것이 8개 모이면 그 모임을 바이트(byte)로 칭한다. 1바이트의 경우의 수는 2의 8승으로 총 256가지의 상태 값을 갖는다.
 
00000000 부터 00000001, 00000010, 00000010.. 중간에 251개.. 11111111 상태까지를 갖게 되는 것이다.
 
그리고 컴퓨터 저장 공간은 1바이트가 1,024개 모이면 1KB(킬로바이트) 그것이 다시 1,024개가 모이면 1MB(메가바이트)가 된다. 이것이 다시 1,024개가 모이면 1GB(기가바이트)가 되고 다시 1,024개가 모이면 1TB(테라바이트) 가 된다. 사실 1테라 바이트만 해도 상상하기 힘들 정도의 정보를 저장할 수 있다.
 
보통 알파벳 하나를 표현할 때 1Byte가 필요하다. 사실 많이 남는다. 알파벳이라고 해봐야 30자도 채 되지 않는데, 1바이트는 총 256가지를 표현할 수 있으니까 말이다.
 
1K는 총 1,024개의 알파벳을 표현할 수 있다. 이 정도면 책의 한 장정도 될까? 아무튼 1M면 페이지 수가 천 페이지가 되는 책을 저장할 수 있다. 이것이 1G라면 페이지 수가 천 개인 책을 천 개 저장할 수 있다. 1T라면 천 페이지를 가진 책을 천 * 천만큼 저장할 수 있다. 즉, 백만 권의 책이 저장 가능한 거대한 도서관 규모의 정보를 저장할 수 있는 셈이다.
 
그리고 요즘 각 집에서 쓰는 컴퓨터의 하드 디스크는 보통 테라 단위이다. 지금 나 역시도 2테라짜리 하드 디스크를 쓰고 있다.
 
* 그럼에도 끝없이 디스크가 부족하다고 느끼는 이유는, 이 세상의 정보가 모두 문자가 아니기 때문이다. 그림이나 영화는 그 표현 방식 때문에 엄청난 용량을 필요로 한다. 사실 요즘 HD급 1시간짜리 영화는 1기가를 훌쩍 넘어간다. 영화 한편을 저장하기 위해서 책 천 권 수준의 정보량이 필요하다는 뜻이다.
 
간단히 설명하고자 했는데, 장황한 설명이 되고 말았다. 아무튼 여기까지는 이해하는데 큰 어려움이 없었으면 한다. 완전히 제대로 설명하는 것도 능력 부족이니, 완전히 이해하려고 할 필요도 없다. 대충 어떤 원리인지 정도만 이해하면 된다.
 
이제 오늘의 목적인 양자 컴퓨터 이야기로 넘어가보자.
 
양자 컴퓨터에도 비트(bit)의 개념이 있다. 하지만 조금 다르다. 그래서 이것을 큐비트(Qubit)라고 부른다. 아마도 양자라는 단어가 퀀텀(Quantum) 이기 때문에 퀀텀비트의 약자인 듯 하다.
 
그런데 비트와 큐비트는 무엇이 다를까? 이것을 이해하면 양자 컴퓨터를 대충은 이해할 수 있다. 그런데 이것을 이해하려면 양자역학을 살짝 들여다봐야 한다. 그리고 양자역학은 이 세상을 살았던 그 누구도, 지금 살고 있는 그 누구도 그것을 진정으로 이해하고 있는 사람이 없다. 즉, 아무도 왜 그러는지 알지 못한다.
 
그럼에도 응용은 가능하다. 우리가 냉장고가 어떤 원리로 돌아가는지 몰라도 그 안에 식료품을 저장할 수 있다는 것과 같은 이유이다. 왜 냉장고 안쪽이 차가워지는 몰라도 거기에 두면 채소가 신선하게 유지된다.
 
양자는 더 이상 분해되지 않는 가장 작은 입자들을 통칭하는 말이다. 우리가 흔히 쓰는 단어로는 전자가 있다. 그리고 쿼크, 보손, 중성미자 그리고 최근에 발견되어 화제가 된 힉스 입자 등이 바로 양자의 목록에 속한 존재들이다.
 
왜 양자를 양자로 부르는지를 설명하고 싶지만, 설명하기엔 능력이 부족하고 또한 너무 어려운 개념이라서 이 글의 목적에 맞지 않으니 넘어가도록 한다.
 
그런데 이 양자들은 아주 기묘한 특징이 하나 있다. 그것은 바로 중첩 상태로 존재한다는 것이다. 쉽게 말해서 내 눈 앞에 명확하게 있는 컵이, 그것이 있다는 의미는 단지 확률상 100%일 가능성이라는 뜻이다. 물론 이 설명은 엉터리이긴 하다. 그냥 대충 이해하도록 하자.
 
원자 내에 존재하는 전자들은 관측할 때는 분명히 특정 위치에 존재하는데, 관측을 하기 전에는 각각의 전자가 어디에 존재할지에 대한 확률만을 알 수 있을 뿐, 실제로 전자가 어디에 있을지를 알 방법이 없다. 이 기묘한 현상이 바로 양자를 이해 할 수 없게 만든다.
 
더해서 우리가 흔히 아는 확률의 개념과 양자역학에서 쓰는 확률의 의미는 다르다. 사실 양자의 확률은 그것이 확정되기 전까지 각각의 모든 위치에 존재할 가능성이 있다. 즉, 중첩된다.
 
일반적으로 검은 공 다섯 개와 하얀 공 다섯 개를 넣고 뽑았을 때, 검은 공이 나올 확률은 50%이다. 그리고 뽑으면 이 둘 중 하나가 반드시 나오게 되어 있다. 하지만 양자역학에서의 확률은 이런 확률이 아니다. 검은 공이 나온 상황과 흰 공이 나온 상황이 동시에 존재한다. 말 그대로 중첩되어 있는 것이다.
 
그럼 언제 이것이 확정될까? 그것은 바로 어떤 공이 나왔는지 직접 확인할 때이다. 사실 이 기묘한 특징이 마음에 들지 않았던 아인슈타인은 우리가 쳐다봐야 달이 존재하냐고 반문했다고 한다.
 
전구에 불이 켜지고, 꺼지는 것이 비트인데, 전구에 불이 켜져 있기도 하고, 꺼져있기도 한 것이 큐비트이다. 1 큐비트는 사실 별 의미 없지만, 이것이 숫자가 늘어나면 엄청난 규모로 정보 저장능력이 향상된다. 모든 것이 중첩되어 있을 수 있다는 의미가 바로 그것이다.
 
쉽게 말해서 백 가지 가능성 중 하나의 가능성 있는 답을 찾기 위해서 기존의 반도체 컴퓨터는 평균 50회의 시도를 해야 한다. 운이 좋다면 1회의 시도 만에, 없다면 100회의 시도를 모두 해본 후 그 답을 찾을 수 있다.
 
반면에 양자 컴퓨터는 백 가지 시도를 동시에 할 수 있다. 모든 상태가 중첩적으로 존재하기 때문에 그렇다. 답이 천 가지이든 만 가지이든 상관이 없다. 모든 것이 동시에 시도될 수 있기 때문에 한계가 없어진다.
 
이 능력이 가장 큰 문제가 되는 분야는 바로 보안이다. 어떤 집에 가서 문의 비밀번호를 알아내려면 원래는 수많은 시도를 해야 하지만, 양자 컴퓨터는 단 한번의 시도로 모든 경우의 수를 다 시도해낼 수 있다. 집뿐만 아니라 컴퓨터를 쓸 때 이용하는 비밀번호도 마찬가지다. 은행, 포탈 사이트, 공인 인증서까지.. 모든 종류의 그런 것들이 마찬가지로 무용지물화 될 수 있다.
 
하지만 반대로 어떤 귀중한 정보를 저장하고 전달할 때도 도움이 된다. '너를 사랑해' 라는 문장을 저장할 때, 수백 가지 문장으로 중첩되게 저장한 후, 상대에는 단 하나의 정답이 어느 중첩에 있는지 만 알려주면 된다. 그러면 정보가 전달되는 중간에 이 데이터를 훔쳐가는 사람이 있어도, 그 중첩된 말 중에서 도대체 어떤 말이 정말로 하고 싶은 말인지를 알 방법이 없다.
 
물론 이 설명들은 매우 서투른 말들이다. 실제로 양자 컴퓨터의 작동원리는 이 설명과 비슷하기만 할 뿐이다. 특히 병렬처리에 대한 오해는 심하다고 한다.
 
양자 컴퓨터는 꿈의 기술이 아니다. 캐나다에 있는 한 회사에서(D-Wave system) 이미 몇 년 전부터 양자 컴퓨터를 만들어서 팔고 있다. 물론 문제는 있다. 하지만 매년 새로운 버전이 나오고 있으며, 구글과 같은 기업에서는 이미 많은 관심을 가지고 연구를 하고 있는 듯 보인다.
 
이 회사는 최초의 나온 양자 컴퓨터는 2011년도에 발표한 D-Wave 1로써 128 큐비트 였고, 2013년도에는 512 큐비트인 D-Wave 2를 발표했다.
 
그리고 얼마 전 기사에 구글과 나사와 함께 연구 중인 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 1억배 빠르다는 기사가 나왔다. 이때 이용한 시스템은 1,097 큐비트인 D-Waver 2X 라고 한다. 물론 이 기사를 그대로 믿을 필요는 없다. 실제로 그만큼 빠르더라도 현재까지는 특별한 분야에서만 가능할 것이다.
 
하지만 인류의 기술 진화를 바라보면, 앞으로 10년 혹은 20년 내로 양자 컴퓨터는 일반인 수준으로 상용화 될 것이다. 그리고 우리는 상상도 못할 세계를 경험하게 될지도 모른다.
 
사실 인류의 발전은 저장할 수 있는 정보와 그것을 전달하는 기술을 향상시킴으로써 발전되어 왔다고 해도 과언이 아니다. 정보의 저장과 공유는 정말로 엄청난 힘을 가진다. 인류가 문명 자체를 세운 것도 바로 그것을 최초로 가능하게 해준 글자와 책의 힘이다. 1999년 BBC가 지난 천 년간 세상에서 가장 중요한 발명품으로 꼽는 것이 바로 독일 구텐베르크의 활자 인쇄술인 것에는 합당한 이유가 있다. 그리고 요즘 인류 최고의 발명품은 인터넷이라고 한다. 이 둘 모두 정보의 유통을 더 쉽고 빠르게 해준다는 것에 의미가 있다.
 
말로만 전달되는 정보는 결국 언젠가는 유실될 수 밖에 없다. 칼을 만드는 법이나 땅을 파는 법, 도자기나 화약을 만드는 법이 유실되지 않을 수 있는 이유는 바로 책으로 저장되었기 때문이다. 만약 지식이 전승되지 않는 사회라면, 우리는 매 세대마다 늘 매번 새롭게 도자기를 굽는 법을 개발해야 한다. 이것은 사실 동물의 사회와 다를 바가 없다.
 
아무튼 양자 컴퓨터가 지속적으로 발전해서 컴퓨터 크기의 좁은 공간에 지구에 존재하는 모든 원자와 분자의 정보를 저장할 수 있는 수준이 되면, 우리는 우리의 미래에 닥칠 모든 경우를 완벽하게 시뮬레이션 해낼 수도 있을지도 모른다.
 
이럴 수 있다면 사실 인공지능 정도는 우습고, 우리는 우리의 두뇌에 들어있는 정보를 양자화시켜서 어딘가에 저장할 수도 있을 것이다. 사실 양자 컴퓨터의 발전이 가진 진정한 의미는 우리 인류가 그리 오래 꿈꿔왔던 영생의 비법을 발견할 수 있는 길이란 점이다.
 
물론 난관도 많고 실수도 많으며 많은 문제점이 있을 것이다. 하지만 지금까지 그래왔듯 희생과 실수를 발판 삼아서 나아갈 것이다. 단지 그 나아갈 방향이 마음에 그리 들지 않을 뿐, 그것이 우리의 미래임은 부정할 수 없다.
 
양자는 중첩 상태를 가질 수 있다는 특징 이외에 얽힘에 대한 특징도 가지고 있다. 이것은 공간 이동에 대한 가능성을 열어주는 특징인데, 설명하기는 무척 어렵지만, 무한대의 거리라도 해도 단 1초의 소요도 없이 정보가 전달될 수 있는 특징이다.
 
양자는 중첩을 통해 저장 가능한 정보의 양을 엄청나게 증가 시켰고, 얽힘 현상을 통해 그 정보가 전달되는데 걸리는 시간을 0으로 만들어 준다.
 
만약 이 두 특징을 모두 이용할 수 있는 시대가 온다면, 우리는 무한대의 생명을 가진 채, 무한대의 공간을 여행할 수 있을지도 모른다. 물론 그 시대가 무조건 행복할 것이라고 예상할 수는 없다. 단지 우리는 선택 가능한 삶을 살 수는 있다. 죽든지 살든지 말이다.
 

* 양자얽힘에 대한 추가 정보는 http://blog.daum.net/lunenstar/7639926 이 글에서 책을 통해 약간이나마 설명을 했다. 좀 더 깊은 정보를 원하시는 분은 책을 직접 보는 것이 좋을 것이다.