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더 빠른 컴퓨터가 필요해! - 양자컴퓨터 목록

조회 : 6508 | 2007-02-26

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「2016년 대한민국 서울의 어느 날. 도우미 로봇의 아침을 알리는 알람소리에 지훈이는 곤하게 들었던 잠에서 깨어납니다. 오늘은 지훈이가 학교에 등교해야 하는 날이라서 늦잠을 잘 수가 없지요. 유비쿼터스 컴퓨터 시스템이 도입된 이후 일주일에 한번만 학교에 다녀오고 다른 날에는 집에서 3D원격가상수업시스템을 통해서 선생님과 직접 마주보는 것처럼 수업을 받을 수가 있게 되었답니다. 하지만 늦잠도 못자고 집을 나서는 지훈이의 표정이 오늘은 왠지 밝아보입니다. 아하~ 오늘은 방학식을 하는 날이기 때문이군요. 선생님의 말씀이 끝나고 지훈이는 친구들과 모여 PC방으로 달려갑니다. 3D가상네트워크게임시스템이 도입된 PC방에는 PC마다 설치되어 있는 3D스페이스부스에서 현실과 똑같은 게임을 즐길 수 있습니다. 오늘은 지훈이가 좋아하는 레이싱 게임 대신 친구들이 좋아하는 전투게임을 하기로 한 날입니다. 지훈이는 3D스페이스부스에 들어가 특수스크린안경을 착용하고 생체반응이 전달되는 센서가 부착된 특수장갑과 신발을 신고 게임을 시작합니다. 무기 아이템을 선택하자 지훈이가 마치 전사가 된 것처럼 현실과 똑같은 전투세계가 펼쳐지네요. 몇 시간이 지났을까요. 한참 게임에 빠져있는 지훈이의 스크린에 갑자기 엄마의 모습이 나타납니다. “지훈아! 이제 그만 놀고 빨리 밥먹으로 집에 들어오너라.” 엄마가 보낸 영상메세지가 유비쿼터스 시스템을 통해 지훈이이게 전달된 것입니다. 많이 아쉬운 표정이지만 지훈이는 집으로 돌아갑니다. 내일부터의 알찬 방학을 보낼 준비를 해야 하니까요.」





위의 이야기는 컴퓨터의 눈부신 발달이 우리에게 안겨줄 가까운 미래세계의 모습입니다. 상상만 해도 즐겁지요? 지금 이 순간에도 컴퓨터는 인간의 소중한 친구이자 도구로서 매우 유용하게 사용되고 있습니다. 문서작성이나 게임 같은 생활의 도구로서 뿐만아니라 고도로 정밀한 과학기술분야 그리고 로봇과 같은 산업전반에 걸친 분야에서 필수적으로 활용됩니다. 컴퓨터의 발달 속도가 지금처럼만 계속된다면 10년 후에는 위의 이야기가 현실화 되는 것도 어렵지 않겠지요. 컴퓨터가 발달한다는 의미는 바로 컴퓨터의 연산 속도가 증가한다는 것과 같습니다. 빠른 시간에 많은 정보를 처리할 수 있다면 가상현실이나 유비쿼터스와 같은 복잡하고 어려운 프로그램도 실현이 가능하기 때문이지요.





그렇다면 시간이 지남에 따라 컴퓨터의 연산 속도를 무한정 증가시킬 수 있을까요? 답은 아쉽게도 ‘그렇지 않다’입니다. 왜 그럴까요? 그것은 컴퓨터의 속도는 회로의 집적도가 높을 수록 증가하기 때문입니다. 조금 더 쉽게 설명하면 컴퓨터를 구성하는 부품에는 회로라는 것이 있는데 이 회로가 작아질수록 컴퓨터의 속도가 높아집니다. 지금 컴퓨터 중앙처리장치(CPU)에는 머리카락보다 훨씬 가느다란 회로선이 수만 개씩 조밀하게 얽혀 있답니다. 이 회로선으로 신호가 전달되면서 컴퓨터가 계산을 하거나 작업을 수행하는 것이죠. 회로가 작게 집적될수록 속도가 높아지는 이유는 여러분이 넓은 운동장의 끝에서 끝까지 뛰어갈 때 보다 작은 운동장의 끝에서 끝까지 뛰어갈 때가 시간이 작게 걸리는 것과 같습니다. 어쨌든 이와 같이 회로를 작게 집적시킬 수 있는 기술이 컴퓨터의 속도를 높일 수 있는 방법이지만 회로를 작게 만드는 데도 한계가 있기 때문에 컴퓨터의 속도가 무한정 발전할 수 없다는 것입니다. 지금과 같은 컴퓨터의 발전 속도라면 머지 않아 10년 이내로 그 한계에 도달하게 될 것이라고 합니다.




그렇다면 그 이후에는 정말 세월이 흘러도 컴퓨터의 속도를 더욱 높일 수 있는 방법이 없는 것일까요? 하하.. 아닙니다. 바로 컴퓨터 속도의 혁명이라 할 수 있는 양자컴퓨터라는 새로운 방식의 컴퓨터가 개발되고 있기 때문인데요. 양자컴퓨터는 지금까지의 컴퓨터와는 완전히 다른 방식으로 작동되는 미래형 컴퓨터입니다. 그래서 지금의 컴퓨터 방식이 가지는 속도의 한계를 뛰어넘을 수 있는 컴퓨터로 주목 받고 있는 것입니다. 그렇다면 양자컴퓨터에서 말하는 ‘양자’가 무엇인지에 대해 알아보도록 합시다. 조금 어려운 이야기가 될 수 있지만 천천히 여러번 읽어보면 무슨 뜻인지 쉽게 이해할 수 있을 거에요.


양자컴퓨터





우리는 자연의 모습을 눈과 귀에 느껴지는대로 보고 들으며 생각하며 살아가고 있습니다. 동그랗게 보이는 사과를 만지면 동그랗게 느껴지고, 후~ 하고 손바닥에 바람을 불면 살포시 불어오는 바람을 느낄 수 있지요. 하지만 자연은 너무나도 신비롭기만 합니다. 약간 어리둥절하겠지만 자연은 조금만 더 깊이 관찰해 보면 우리가 생각하고 느끼는 자연의 모습과 자연의 실제 모습은 조금 다르다는 것을 알 수 있습니다. 현미경으로 볼 수 있는 세계보다 훨씬 더 작은 세계를 들여다볼까요? 모든 물체는 잘게 쪼개고 또 쪼개면 원자라고 부르는 아주 작은 알갱이로 이루어져 있는 것을 볼 수 있습니다. 이 원자는 우리가 생각하는 것 이하로 아주 작은 크기를 가지고 있습니다. 크기가 원자 정도로 작은 세계에서는 우리가 쉽게 이해 할 수 없는 흥미로운 현상들이 일어납니다. 그것이 바로 양자 현상이라는 것인데요. 양자 현상에는 여러 가지가 있지만 대표적인 것 한 가지가 바로 ‘상태 중첩’이라는 것이 있답니다.





상태 중첩을 말로 풀이하면 여러 가지의 상태가 동시에 나타날 수 있다 정도로 이해할 수 있을 텐데요. 조금 어렵나요? 예를 들어 동전을 하나 던진다고 생각해 봅시다. 동전을 던져서 땅에 떨어뜨린다면 분명 동전의 앞면 또는 뒷면을 위로 한 채 떨어지게 되겠죠? 그렇습니다. 떨어진 동전은 앞면 또는 뒷면 방향 중 한 가지의 방향으로 떨어지게 되고 따라서 우리는 동전의 한쪽만을 볼 수 있습니다. 또 한 가지 주사위를 던진다고 했을 때 6개의 면 중에서 오직 하나의 면이 위 방향으로 향하게 될 것입니다. 여기까지는 여러분이 잘 알고 있는 일상생활 속의 법칙입니다. 그런데 지금부터는 아주 작은 세계를 들여다보기로 합시다. 원자 크기 정도의 아주 작은 세상에서는 ‘양자 현상’이라 불리는 이상한 현상이 일어납니다. 이 세상에서는 동전을 던졌을 때 앞면이 나올까요? 뒷면이 나올까요? 답은 ‘앞면이 나올 수도 있고 뒷면이 나올 수도 있고 앞, 뒷면이 모두 동시에 나올 수도 있다‘랍니다. 앞면이 나올 수도 있고 뒷면이 나올 수도 있다는 것은 이해가 되는 데 앞, 뒷면 모두가 동시에 나올 수 있다는 것이 이상하지요? 이와 같이 아주 작은 세상에서는 함께 일어날 수 없을 것 같은 사건이 동시에 일어날 수 있는 기괴한 ’상태 중첩‘ 현상이 일어납니다.





이 세상에서는 주사위를 던져도 1부터 6까지의 숫자가 모두 위를 향하게 될 수도 있답니다. 미래의 여러분과 현재의 여러분이 함께 같이 있을 수는 없지만 공상과학 영화에서 나오듯이 타임머신이 있다면 미래의 여러분과 현재의 여러분과 과거의 여러분이 동시에 있을 수도 있는 것처럼 아주 작은 세상에서는 여러 경우의 사건이 함께 있을 수 있는 일이 흔히 있을 수 있다는 정도로 이해해 두세요. 왜 이런 현상이 일어나는지에 대한 대답을 위해서는 많은 설명이 필요합니다. 만유인력이 일어나는 이유를 묻지 않는 것처럼 그냥 자연의 모습이 그렇게 설계되었기 때문이다 라고 이해하면 될 것입니다.





그렇다면 만일 상태 중첩이라는 현상을 컴퓨터에 응용시킬 수 있다면 어떨까요? 만일 가능하기만 하다면 속도를 엄청나게 높일 수 있는 양자컴퓨터를 만들 수 있답니다. 일반적으로 컴퓨터의 정보를 처리하는 가장 작은 단위를 비트라고 합니다. 하나의 비트에 여러 개의 정보를 차례대로 입력시켜서 순서대로 정보를 처리하는 것이 우리가 사용하는 컴퓨터의 원리입니다. 그런데 양자컴퓨터에서는 양자 현상이 일어나는 비트를 만들어서 비트에 여러 개의 정보를 동시에 입력 시킬 수가 있습니다. 그것은 바로 양자 현상의 중첩 원리를 이용하면 되는 거죠. 예를 들면 ABC라는 정보를 처리하기 위해 일반컴퓨터에서는 A를 먼저 비트에 넣고 처리한 다음 B를 넣어서 처리하고 마지막으로 C를 입력하여 정보를 처리하지만 양자컴퓨터에서는 A와 B와 C를 한꺼번에 동시에 중첩시킨 다음 한꺼번에 처리할 수 있는 것입니다. 왜냐하면 양자세계에서는 다른 사건이 동시에 일어나는 것이 가능하기 때문이지요. 이런 양자 중첩 원리를 사용한다면 컴퓨터의 속도를 아주 높일 수가 있는 것입니다. 1000개의 정보를 처리하기 위해 일반 컴퓨터에서 1부터 1000번째 정보를 순서대로 처리해야 했다면 양자컴퓨터는 1000개의 정보를 한꺼번에 처리할 수 있기 때문이지요.


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만일 양자컴퓨터가 실용화 된다면 세계는 다시 혁명과도 같은 엄청난 변화를 맞게 될 것입니다. 엄청난 계산속도 덕분에 지금의 슈퍼컴퓨터가 150년에 걸쳐 해낼 수 있는 계산을 양자컴퓨터는 단 4초 만에 해낼 수 있습니다. 뿐만 아닙니다. 엄청난 계산속도 때문에 모든 컴퓨터의 암호를 쉽게 해독할 수 있을 것입니다. 전반적인 컴퓨터 속도의 혁명적인 증가는 유비쿼터스 시스템과 같은 복잡한 프로그램을 실현할 수 있는 훌륭한 기반이 될 것임은 분명하구요. 또한 공상과학 영화에서나 나오는 사람의 순간이동도 가능하게 될 것입니다. 양자컴퓨터를 이용해서 사람의 모든 정보를 읽어들인다음 순간적으로 다른 장소에 정보를 보냄으로서 순간이동이 일어나는 것이죠. 그러나 아쉽게도 양자컴퓨터는 아직 실용화 단계에 이르지는 못하고 있답니다. 양자 현상이 일어나는 양자 비트를 만들어 내기가 매우 어렵기 때문인데요. 여러분이 집에서 사용하고 있는 PC처럼 누구나 손쉽게 양자컴퓨터를 사용할 수 있기 까지는 20여년이 더 걸릴 것으로 예상되고 있습니다.

 

그럼에도 불구하고 양자컴퓨터의 엄청난 활용가치 때문에 각 선진국에서는 비밀리에 양자컴퓨터를 개발하기 위한 많은 투자를 하고 있는 상황이랍니다. 양자컴퓨터를 가장 먼저 개발하는 나라가 미래 정보사회의 흐름을 주도하게 될 것임은 물론, 첨단과학기술연구에도 엄청난 효과를 가져 올 것이 분명하기 때문입니다.

 양자컴퓨터는 아직 완성까지 많은 과제가 남아 있습니다. 한국이 양자컴퓨터를 가장 먼저 완성한다면 한국은 누구라도 부러워 할 새로운 컴퓨터시대를 열어가는 선진과학기술국으로 거듭날 것입니다. 어때요? 여러분도 도전해보지 않으실래요?

 

 

 

★KAIST 원자력 및 양자공학과 차유진




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