Rti 중앙방송국 
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[*아래 글은 실제 당일 방송 내용과 차이가 있을 수 있으니 보다 정확한 내용은 방송으로 확인해주시기 바랍니다.]
지난 한 주 타이완에서 가장 화제가 됐던 이슈를 과학 기자의 시각으로 들여다보고 정리해 알려드리는 Rti 한국어방송의 목요일 프로그램 포르모사링크입니다. 안녕하세요 포르모사링크 진행자 손전홍입니다.
최근 ‘양자(Quantum)’라는 이름의 새로운 기술들이 꾸준히 이목을 끌고 있는데요. 대표적으로는 양자컴퓨터를 꼽을 수 있을 것 같아요.
살아있으면서 죽어있는 '슈뢰딩거의 고양이' 상태, 즉 양자 역학을 이용한 양자컴퓨터는 현재 사용되는 슈퍼컴퓨터의 위상을 계산기 수준으로 떨어뜨릴 잠재력을 가진 것으로 전망되고 있습니다.
최근 타이완 국내 대학 연구진이 세계에서 가장 작은 양자컴퓨터를 개발하는 데 성공했습니다. 포르모사링크 오늘 키워드는 ‘타이완 국내 대학 연구진, 세계에서 가장 작은 양자컴퓨터 개발 성공’입니다.
양자컴퓨터를 알기 위해선 양자역학의 몇 가지 핵심 원리를 알아야 하는데요.
양자역학란 미시 세계의 물리 법칙을 다루는 학문으로, 일상에서 경험하는 고전 물리학과는 다르게 원자와 이를 이루는 아원자 입자들 같은 미시 세계와 그러한 세계에서 일어나는 현상에 대해 탐구하는 현대물리학 분야중 하나입니다.
그리고, 양자컴퓨터란 쉽게 말하면 양자물리학의 속성을 이용하여 자료를 처리한다고 보시면 되요.
정확히 말하면 양자 중첩과 양자 얽힘 같은 양자역학적인 물리현상을 활용해 연산을 수행하는 컴퓨터죠!
양자컴퓨터는 우리가 알고 사용하는 고전 컴퓨터와는 전혀 다른 원리로 작동하는데요.
현재 우리가 사용하는 고전 컴퓨터나 슈퍼컴퓨터는 정보의 단위로 비트(bit)를 사용하고, 모든 데이터가 0혹은 1의 값만 갖는 이진법을 따릅니다.
반면, 양자컴퓨터는 양자 정보의 기본 단위인 퀀텀 비트(quantum bit)를 정보의 단위로 사용합니다.
퀀텀 비트를 줄여서 큐비트(qubit)라고 하는데 큐비트를 이해하기 위해선 양자 중첩과 얽힘(Entanglement)에 대해 알아야 합니다.
비트를 사용하는 고전 컴퓨터에는 정보가 1과 0 두 상태로 저장된다면, 양자컴퓨터의 큐비트는 0이기도 하고 1이기도 한 상태를 동시에 가질 수 있는 이른바 ‘중첩(superposition)’된 상태로 저장되요.
이 중첩 상태는 양자역학의 기본 원리 중 하나로, 양자 입자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있음을 의미합니다.
한 번에 여러 정보를 중첩해 표현하는 것이 가능하다는 점이 양자컴퓨터의 특징으로, 0과 1이 공존할 수 있기 때문에 기존 고전 컴퓨터에 비해 훨씬 많은 정보를 동시에 처리할 수 있습니다.
그리고 또 중요한 특성이 ‘양자 얽힘’입니다.
양자 얽힘 현상은 양자 상태에 있는 두개 이상의 큐비트가 서로 떨어져 있어도 서로 영향을 미치는 현상을 의미하는데요.
핵심은 물리적으로 멀리 떨어져 있어도 서로의 상태가 강하게 연결돼 있어, 하나의 큐비트를 측정하는 순간 다른 큐비트의 상태도 자동으로 결정되며, 상호 작용하는 상관관계를 가진다는 겁니다. 고전 물리학에서는 찾아볼 수 없는 양자역학만의 매우 특이한 특성입니다.
이러한 얽힘 현상은 양자컴퓨터의 강력한 연산 능력의 핵심이라고 할 수 있는데요. 얽힘을 통해 긴밀하게 연결돼 있어 여러 큐비트를 한 번에 계산함으로써 빠른 연산이 가능한 건데, 얽힘 현상을 사용할 수 없어 자료를 1개씩 순차적으로 계산해야 결과를 얻을 수 있는 고전 컴퓨터와는 상당히 대조적이죠.
양자 중첩과 얽힘 같은 특성 덕분에 양자컴퓨터는 이론상 현존 최고의 슈퍼컴퓨터가 수백년이 걸려도 풀기 힘든 문제를 30조 배 이상, 빠른 속도로 연산 처리를 할 수 있습니다.
양자컴퓨터의 놀라운 연산능력은 국가 보안망이나 군사시스템 등의 암호체계를 순식간에 뚫어낼 만큼 가히 위력적인데요.
의료 분야에선 양자컴퓨터의 초고속 연산능력을 활용하면 신약 개발 과정에서 분자설계와 분석을 보다 빠르고 정밀하게 해낼 수 있을 것으로 기대를 모으고 있고,
게다가 원자의 결합패턴을 빠르고 쉽게 계산해 신소재를 개발하는 것도 충분히 가능해지며, 이런 무궁무진한 가능성으로 인해 현재 양자 컴퓨터 개발 경쟁은 국가와 기업 중심으로 치열하게 펼쳐지고 있습니다.
타이완에서는 중앙연구원 등 연구 기관과 대학을 중심으로 기술 연구소를 설립하여 양자컴퓨터 개발을 활발히 진행하고 있는데요.
지난해(2023년) 10월, 타이완 중앙연구원 양자컴퓨터센터는 5큐비트급 초전도 양자컴퓨터 칩을 자체 개발하는 데 성공했습니다.
▲차이잉원 전 총통이 지난 1월 중앙연구원을 방문해 5큐비트급 초전도 양자컴퓨터 장비를 살펴보고 자신의 사인을 남기고 있다.[사진출처= 총통부 홈페이지]
지난 1월, 당시 퇴임을 120여일 앞두고 있던 차이잉원 전 총통은 중앙연구원을 찾아 5큐비트급 양자컴퓨터 개발 담당 연구진들을 만나 격려하기도 했죠!
차이 전 총통은 당시 치사에서 “중앙연구원은 타이완 국내 최초의 5큐비트급 초전도 양자컴퓨터 개발에 성공했습니다. 이는 타이완의 양자 과학기술을 발전시키는 중요한 이정표”라고 축하했습니다. 그러면서 “양자컴퓨터는 이미 차세대 연산 도구로 여겨지고 있습니다. 때문에 (1분 17초 ) 타이완 정부는 양자컴퓨터를 개발하는 데 2022년부터 2027년까지 5년간 뉴타이완달러 80억 , 한국돈 약 3천 442억원(2024년 12월 5일 다음 환율 기준. ) 규모를 투자할 것”이라고 밝혔습니다.
중앙연구원이 5큐비트급 초전도 양자컴퓨터 개발에 성공한 데 이어 국립칭화대학교(國立清華大學) 연구진은 세계에서 가장 작은 양자컴퓨터를 개발하는 데 성공하며 타이완의 양자컴퓨터 기술 발전에 힘을 보탰습니다.
신주에 자리한 칭화대학교는 타이완 공학연구의 중심으로 손꼽히는 명문 대학으로 공학 분야와 기초과학 분야 연구에서 특히 명성이 높은데요.
칭화대학교 물리학과 첨단 양자 연구 기술 센터(Center for Quantum Frontiers of Research & Technology)의 추즈송(禇志崧) 교수 연구진은 빛의 최소단위인, 광자(光子) 1개만을 이용한 세계에서 가장 작은 단일광자 양자컴퓨터 개발에 성공하고, 지난 10월 16일 실물을 공개했습니다.
▲추즈송 교수 연구진이 개발에 성공한 단일광자 양자컴퓨터 본체 실물. [사진출처= 칭화대학교 홈페이지]
칭화대학 추즈송 교수 연구진이 개발한 단일광자 양자컴퓨터! 한 사람이 안을 수 있는 상자 안에 들어갈 정도로 작습니다.
게다가 절대온도인 영하 273도를 유지해야 해서 거대한 극저온 냉각 장치가 별도로 필요한 초전도 회로 방식의 양자컴퓨터와 달리 상온에서 작동해 확장성이 좋고 에너지 소비가 적다는 것이 장점이에요.
여기에 외부 간섭에 밀감하게 반응하기 때문에 진공상태를 유지해야 해서 마찬가지로 관련 설비가 별도로 필요한 이온 트랩 방식의 양자컴퓨터와 달리 추 교수 연구진이 선보인 양자컴퓨터는 간섭을 받기 어렵고, 장거리 전송도 가능하죠!
기존 양자컴퓨터 중에는 수백 개의 광자를 다루는 것도 있지만, 제어가 어렵다는 기술적 난관이 존재했습니다.
추즈송 교수 연구진은 역발상으로 ‘하나의 광자로 모든 정보를 압축한다’는 관점에서 연구를 시작해 이른바 쇼어(Shor) 알고리즘을 활용해 소인수분해 등의 연산을 수행할 수 있는 특수한 양자컴퓨터 개발에 성공한 건데요.
연구진이 개발한 ‘단일광자 양자컴퓨터’는 광자 1개에 32차원의 정보공간이 있고, 32차원이라고 하는 다차원의 광자를 양자컴퓨터에 실장했는데 세계 최초라고 해요!
추즈송 교수 연구진이 선보인 세계에서 가장 작은 단일광자 양자컴퓨터를 개발한 연구 결과는 지난 9월 세계적 권위의 물리 학술지인 ‘피지컬 리뷰 어플라이드(Physical Review Applied)’ 온라인판에 게재됐습니다.
▲가오웨이위안(高為元) 칭화대학교 총장이 지난 10월 열린 단일광자 양자컴퓨터 발표회에서 치사를 하고 있다. [사진출처= 칭화대학교 홈페이지]
가오웨이위안(高為元) 칭화대학교 총장은 지난 10월 16일 칭화대학교에서 열린 세계에서 가장 작은 단일광자 양자컴퓨터 발표회에서 “지난해 미국에 있는 IBM 왓슨 연구소를 참관할 기회가 있었는데, IBM 양자컴퓨터의 핵심 기술은 냉각 시스템이라고 할 수 있습니다. 전통적인 양자컴퓨터의 냉각시스템은 영하 270도를 유지해야 하는데, 이때 모든 물체가 정지된 상태에 있죠. 다만, 이같이 극저온 상태를 유지하려면 거대한 설비를 필요합니다. 오늘 추즈송 교수 연구진이 선보인 광자 방식의 양자컴퓨터는 온도를 극저온으로 낮출 필요가 없어 추후 개인용 컴퓨터로서의 상용화가 기대되고 있습니다.”라는 소감을 밝혔습니다.
▲추즈송 교수가 단일광자 양자컴퓨터 발표회에서 작동 원리 등에 대해 설명하고 있다. [사진출처= 칭화대학교 홈페이지]
세계에서 가장 작은 단일광자 양자컴퓨터 개발을 이끈 추즈송 교수는 “오늘 저희가 발표한 컴퓨터는 순수 광학을 사용해 상온, 실외에서 작동할 수 있는 타이완 국내 최초의 양자컴퓨터인 동시에 단 하나의 광자를 이용한 세계 유일의 양자컴퓨터입니다. 세계에서 가장 작은 양자컴퓨터라고 말할 수 있습니다. 저희 연구진이 개발한 기술은 앞으로 더 복잡한 양자컴퓨터를 설계하는 데 매우 유용하게 사용될 것으로 전망됩니다. 게다가, 과학적인면에서는 자그마한 단일 광자가 우리가 생각하던 것보다 방대한 데이터를 저장할 수 있다는 걸 증명했는데요. 이러한 규명을 통해 광자 1개를 이용한 양자컴퓨터 개발에 성공할 수 있었습니다.”라는 소감을 전했습니다.
▲[사진출처= 칭화대학교 홈페이지]
칭화대학교 추즈송 교수 연구진이 개발에 성공한 세계에서 가장 작은 양자컴퓨터는 곧 우리 앞에 무한시대를 열게 될 텐데요.
추즈송 교수 연구진이 앞으로 차차 선보일 양자컴퓨터 기술의 발전과 응용으로 인해 타이완의 미래는 분명 더 밝을 거라고 믿어요!
Rti 한국어방송의 목요일 프로그램 포르모사링크, 오늘 준비한 소식은 여기까지입니다. 진행에 손전홍이었습니다. 저는 다음주 목요일 이 시간에 다시 찾아 뵙겠습니다. 청취자 여러분 고맙습니다. 안녕히 계십시오.
※ 참고자료
12월 5일(목) 포르모사링크 삽입곡 (BGM : 한스 짐머(Hans Zimmer)- S.T.A.Y. (영화 ‘인터스텔라’ 중에서)
《國立清華大學》(2024. 10. 16.) <清華大學用一顆光子造出全世界最小量子電腦>, https://www.nthu.edu.tw/hotNews/content/1194
《總統府》(2024. 01. 29.) <總統視察「中研院量子電腦專題中心研發成果」>, https://www.president.gov.tw/News/28166
《中央研究院》(2024. 01. 29.) <臺灣量子科技發展里程碑 總統視察中研院自研自製5位元超導量子電腦>,https://www.sinica.edu.tw/News_Content/55/2267
