[김헌수 칼럼] 당면한 양자시대 그 준비와 대안은

김헌수 전략인재연구원장·교수

지난해 10월 스웨덴 과학한림원(Kungliga Vetenskapsakademien)에서는 2022년도 노벨 물리학상이 '양자 얽힘'을 연구한 오스트리아의 안톤 차일링거 교수(Prof. Anton Zeilinger), 미국의 존 프랜시스 클라우저 교수(Prof. John Francis Clauser), 프랑스 알랭 아스페 교수(Prof. Alain Aspect)에게 수여됐다. 이들은 세계 양자 정보과학의 선구자이자 물리학자들로서 국내외 많은 언론 및 전문가들도 노벨상감이라고 진작 예상했었지만 한 분야에 세 사람이 동시에 노벨상을 받은 바가 거의 드문 일로, 이는 2016년 1월16일 스위스 다보스에서 세계경제포럼의 클라우스 슈바프(Klaus Schwab)가 제4차 산업혁명의 주요 의제와 핵심 요소로 발표한 AI, Robotics, IoT, 3D, Big Data 등 다섯 가지에 일자리까지 언급한 것 못지 않게 큰 놀라움을 준 대사건이다.

양자란, 좀 더 구체적으로 알아보자. 아주 작은 입자들의 동작을 설명하는 것으로 이 입자들은 때때로 파동처럼 행동도 한다. 이것을 '파동-입자 이중성'이라 하며 그 입자들은 특정한 에너지 상태에서만 존재할 수 있고 이는 레이저, 전자 기기, 나노 기술 등 현대 기술의 큰 기반을 제공하는 작은 입자로 미시세계에서 적용되는 규칙을 설명한 이론이라 할 수 있다.  

작년 노벨 물리학상은 '양자 얽힘'
한 분야에 3명 동시 수상은 드문 일

노벨 물리학상 수상자의 '양자 얽힘'에 대해선 양자역학(Quantum Mechanics)을 이해함이 우선일 것 같다. 이는 파동적인 성질이 있으며, 모든 물질은 고로 파동이면서 입자로서 그리고 파동도 입자의 성질을 가지고 있으며 양자역학의 기초로 고유한 두 특징을 지니고 있다.

우선 양자 중첩(superpostion)은 입자가 두 가지 이상의 상태에 동시에 존재할 수 있다는 가능성을 가지고 있는 것으로, 즉 '0이면서 1인 상태'로 양자컴퓨터의 핵심이다. 양자 얽힘(entanglement)은 두 개 이상의 양자 입자가 상호간에 서로 연결돼 있는 상태로 이 연결은 한 입자의 상태가 바뀌면 또 달리 연결된 입자의 상태도 즉시 변화함을 나타낸다. 이 상태는 공간적인 거리에 관계없이 일어날 수 있는 입자 간의 특별한 상호 연결을 의미한다. 결국 양자 중첩과 얽힘이 제어가 잘 돼야 양자기술을 잘 개발할 수 있으며 핵심이다. 여기엔 크게 양자 통신과 암호, 센싱과 컴퓨터 등 네 분야로 나눌 수 있다. 특히 양자 통신과 암호분야에는 국내 통신 3사에서 많은 연구가 이뤄지고 있다. 통신분야에서는 특별히 도청을 하면 즉시 신호체계가 붕괴돼 원천적으로 차단할 수 있어 보안을 생명으로 여기는 군부대나 은행에선 통신과 암호화가 매우 중요한 기술 중 하나로, 양자 센싱(quantum sensing)은 가스 안전이나 환경가스 누출분야, 통신 감도 등 제 분야에서 다양하게 활용할 수 있다.

양자컴퓨터 국방·보안 등 영향 막대
미래신약·첨단산업에 반드시 필요
양자, 12대 국가전략기술 선정 다행

양자 컴퓨터는 양자 중첩을 이용한 빠른 처리를 한다. 여러 경우의 수를 한꺼번에 연산도 가능할 뿐만 아니라, 암호를 슈퍼컴퓨터로 100만년 이상 걸려 해독할 것을 불과 1초 내외에 깰 수 있어 특별히 국방과 보안분야 등에 막대한 영향을 미칠 수 있다. 이는 고난이도의 화학적 분자 계산을 필요로 하는 미래 신약개발과 첨단산업에도 양자컴퓨팅이 반드시 필요하다. 양자컴퓨팅을 활용한 플랫폼으로는 마이크로파로 양자비트를 제어하는 '초전도큐비트 플랫폼', 레이저로 양자비트를 제어하는 '원자이온 플랫폼', 레이저나 마이크로파로 양자비트를 제어하고 원자 중 하나인 핵물리학에서 중요한 루비디움인 '중성원자 플랫폼', 빛이 광섬유를 따라가는 것처럼 '광자를 이용한 플랫폼' 등의 분야로 활용돼, 깊게 연구해야할 영역이다.

미국과 EU는 이미 많은 양자기술을 축적했고 중국은 2016년에 도감청이 불가능한 양자위성 묵자호(Micius)도 발사한 예가 있다. 우리는 양자기술과 양자컴퓨팅 학습과 R&D, 양자 암호화 기술 등과 관련하여 지속적인 연구와 현실 세계에서의 실제화, 인재양성, 국제적인 연구 그룹들과 협력 및 결과의 공유도 요구된다. 양자시대에 필요한 윤리적인 문제, 국제 협력도 매우 중요하다. 지난해 양자 분야가 12대 국가전략기술로 선정된 것은 매우 다행이다.



/김헌수 전략인재연구원장·교수