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[강연] 양자컴퓨터의 현재와 미래 by정연욱ㅣ2021 '대한민국 과학기술대전' 다섯번째 | 5강

양자 컴퓨터는 더 이상 SF 영화 속의 상상이나 먼 미래의 이야기가 아닙니다. 이미 전 세계의 많은 연구자와 기업이 실제로 시스템을 만들어 운영하고 있으며, 누구나 클라우드를 통해 접속해 볼 수 있는 단계에 도달했습니다. 다만 중요한 점은 양자 컴퓨터가 당장 기존의 모든 컴퓨터를 대체하거나 세상을 한순간에 뒤바꿀 마법의 도구는 아니라는 사실입니다. 현재는 양자역학의 원리를 이용해 특정 문제를 해결하는 초기 단계의 시스템으로 이해하는 것이 적절하며, 환상보다는 실질적인 기술적 진보에 주목해야 할 시점입니다. '양자'라는 개념은 세상의 물질이 에너지를 주고받을 때 연속적이지 않고 특정한 단위로만 움직인다는 의미를 담고 있습니다. 100년 전 과학자들은 원자 세계의 불연속적인 현상을 설명하기 위해 양자역학이라는 거대한 체계를 세웠습니다. 과거에는 이 원리가 미시 세계에만 국한된 이론으로 여겨졌으나, 오늘날 우리가 사용하는 반도체나 스마트폰의 작동 원리에도 이미 깊숙이 스며들어 있습니다. 양자 컴퓨터는 바로 이러한 자연의 근본적인 작동 방식을 계산의 영역으로 끌어들인 혁신적인 시스템이라고 할 수 있습니다. 21세기에 들어서며 양자 기술은 단순히 세상을 이해하는 틀을 넘어, 우리가 직접 양자 상태를 제어하고 조작하는 '양자 엔지니어링'의 시대로 진입했습니다. 정밀한 레이저와 초저온 냉동기 같은 고도화된 기술 덕분에 우리는 양자역학적 현상을 능동적으로 활용할 수 있게 되었습니다. 이는 마치 중력에 의해 떨어지는 사과를 관찰하던 단계에서 벗어나, 엔진을 만들어 자동차를 굴리는 것과 같은 비약적인 발전입니다. 이제 인류는 양자역학이라는 자연의 법칙을 도구 삼아 우리에게 유용한 가치를 창출하는 단계에 와 있습니다. 양자 컴퓨터의 핵심 원리인 중첩과 얽힘은 우리의 일상적인 직관과는 매우 다릅니다. 중첩은 두 가지 상태가 동시에 존재할 확률을 가진 상태를 의미하며, 얽힘은 멀리 떨어진 입자들이 서로 긴밀하게 연결되어 한쪽의 상태가 결정되면 다른 쪽도 즉시 영향을 받는 현상입니다. 이러한 개념은 일상 언어로 설명하기 어렵지만, 수학이라는 정교한 언어를 통하면 명확하게 정의됩니다. 앞으로 양자 컴퓨터가 대중화되면 우리는 이러한 기이한 현상들을 일상적으로 경험하게 될 것이며, 이는 인류의 인식 체계를 근본적으로 변화시키는 계기가 될 것입니다. 양자 컴퓨터가 강력한 이유는 '양자 병렬성'에 있습니다. 기존 비트가 0 또는 1의 상태만 가질 수 있는 것과 달리, 큐비트가 0과 1이 중첩된 상태를 유지하며 방대한 계산 공간을 동시에 다룹니다. 예를 들어 큐비트가 300개만 모여도 그 조합의 수는 전 우주의 원자 수보다 많아지며, 이 방대한 정보를 한꺼번에 처리할 수 있습니다. 물론 마지막에 정보를 읽을 때는 하나의 상태로 결정되지만, 계산 과정에서 보여주는 이 압도적인 확장성은 기존 슈퍼컴퓨터가 수만 년 걸릴 문제를 단 몇 초 만에 해결할 수 있는 잠재력을 제공합니다. 현재 양자 컴퓨터 기술은 초전도 회로나 이온 트랩 등 다양한 플랫폼을 통해 구현되고 있습니다. 특히 초전도 큐비트의 성능은 3년에 10배씩 향상되고 있는데, 이는 반도체 산업의 무어의 법칙보다 훨씬 빠른 속도입니다. 구글과 IBM 같은 글로벌 기업들은 이미 수백 큐비트급의 시스템을 선보이며 기술적 난이도의 한계를 돌파하고 있습니다. 단순히 큐비트의 개수를 늘리는 것을 넘어, 오류율을 낮추고 연결성을 강화하는 등 실질적인 성능 지표를 개선하는 방향으로 연구가 집중되면서 상용화의 문턱을 넘어서고 있습니다. 미래의 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 완전히 대체하기보다는 특정 분야에서 상호 보완적인 역할을 수행할 것입니다. 양자 화학을 이용한 신소재 설계, 물류 및 금융의 최적화 문제 해결, 그리고 고도화된 기계 학습 등이 주요 활용 분야로 꼽힙니다. 복잡한 계산은 클라우드로 연결된 양자 서버가 처리하고, 우리는 그 결과만을 받아보는 하이브리드 모델이 보편화될 것입니다. 양자 기술의 발전은 단순히 계산 속도의 향상을 넘어, 인류가 자연을 이해하고 활용하는 방식을 근본적으로 재정의하는 거대한 전환점이 될 것입니다.

정연욱

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물리학

[강연쇼] 미래과학편 by 박문정_정연욱ㅣ 2021 '대한민국 과학기술대전' | 2부

현대 과학은 양자역학과 인공지능의 결합을 통해 전례 없는 발전을 거듭하고 있습니다. 수천만 건의 방대한 데이터를 처리하며 우리는 인류 역사상 가장 풍요롭고 안락한 시대를 살아가고 있습니다. 고도로 발달한 기술은 과거에는 상상조차 할 수 없었던 복잡한 문제들을 해결하며, 우리 사회의 구조와 생활 방식을 근본적으로 변화시키고 있습니다. 이러한 변화는 단순한 편의를 넘어 지식의 탐구 방식 자체를 재정의하고 있으며, 새로운 문명의 지평을 열어가고 있습니다. 하지만 기술의 비약적인 발전 뒤에는 보이지 않는 두려움이 자리 잡고 있습니다. 인공지능이 파편화된 모든 과학적 탐구를 대신 수행하게 될 때, 과연 인간은 과학의 본질을 잊어버리게 되지 않을까 하는 우려입니다. 기계가 정답을 도출하는 과정이 블랙박스화되면서, 인간은 그 원리를 이해하기보다는 결과만을 수용하는 수동적인 존재로 전락할 위험에 처해 있습니다. 이는 현대 과학자들에게 깊은 철학적 고민과 함께 기술적 종속에 대한 경계심을 안겨주는 중요한 화두입니다. 과학자들의 내면에는 고전적인 탐구 방식을 고수하려는 마음과 효율적인 최신 기술 사이의 갈등이 존재합니다. 힘든 고뇌의 과정을 거쳐 진리에 도달하던 과거의 방식은 이제 비효율적인 것으로 치부되기도 합니다. 그러나 인간만이 가진 직관과 통찰력은 데이터의 단순한 나열만으로는 결코 도달할 수 없는 심오한 영역을 탐구하게 합니다. 이러한 내적 갈등은 기술 만능주의 시대에 인간의 역할이 무엇인지 다시금 질문하게 만들며, 과학적 사고의 가치를 재확인하는 계기가 됩니다. 자동 인식 시스템과 중앙 제어 시스템이 연동되지 않았던 시절, 인간은 독자적인 메타 논리를 가동하여 세상을 이해하려 노력했습니다. 파편화된 정보들을 하나의 거대한 체계로 엮어내는 능력은 오직 인간의 지성만이 수행할 수 있었던 고유의 영역이었습니다. 인공지능이 제공하는 방대한 데이터 속에서 길을 잃지 않기 위해서는, 과거 우리가 가동했던 그 독특한 논리 구조를 다시금 일깨울 필요가 있습니다. 이는 복잡한 시스템 속에서 본질을 꿰뚫어 보는 힘을 기르는 과정이기도 합니다. 결국 인공지능은 인간이 내리는 최종적인 판단과 방향성에 따라 그 가치가 결정됩니다. 아무리 뛰어난 연산 능력을 갖춘 기계라 할지라도, 무엇을 위해 그 기술을 사용할 것인지 결정하는 주체는 여전히 인간의 몫입니다. 우리는 인공지능에게 단순히 계산을 시키는 것을 넘어, 인류의 보편적 가치와 윤리를 반영한 고차원적인 지시를 내려야 합니다. 이것이 바로 고도화된 기술의 시대에 인간이 지켜내야 할 마지막 보루이자, 과학 기술을 올바른 방향으로 이끄는 책임 있는 자세입니다. 인공지능과 인간의 논리가 조화를 이룰 때, 과학은 비로소 진정한 의미의 도약을 이룰 수 있습니다. 기계의 정밀함과 인간의 창의성이 결합하면, 우리는 우주의 근본 원리에 한 걸음 더 다가갈 수 있을 것입니다. 데이터 속에 숨겨진 의미를 해석하고 새로운 가설을 세우는 과정에서 인공지능은 강력한 조력자가 되어줍니다. 이러한 협력 모델은 미래 과학의 새로운 표준이 될 것이며, 인류의 지적 지평을 넓히는 열쇠가 될 것입니다. 우리는 기술을 도구로 삼아 더 큰 진리를 향해 나아가야 합니다. 우리는 이제 기술에 압도당하는 것이 아니라, 기술을 통해 인간의 가능성을 확장하는 시대로 나아가야 합니다. 양자역학의 신비와 인공지능의 효율성이 공존하는 이 풍요로운 시대에, 과학에 대한 근원적인 열정을 잃지 않는 것이 무엇보다 중요합니다. 끊임없는 질문과 탐구를 통해 우리는 기계가 대신할 수 없는 인간만의 고유한 가치를 증명해 나갈 것입니다. 미래의 과학은 도구의 눈부신 발전이 아닌, 그 도구를 다루는 인간의 숭고한 정신과 의지에서 비로소 완성될 것입니다.

박문정, 정연욱

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물리학
화학
융합

[연구뭐하지?] 김도헌 교수_서울대학교 '양자집적회로 연구실' | 대한민국에서 귀하다는 양자컴퓨터 연구실에서 울려퍼지는 두두둥

양자 정보 과학은 현대 물리학의 가장 역동적인 분야 중 하나로, 양자 중첩과 양자 얽힘이라는 독특한 현상을 연구합니다. 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 이러한 양자역학적 특성을 정밀하게 측정하고 제어하는 기초 연구에 매진하고 있습니다. 특히 산업계에서 널리 쓰이는 반도체 트랜지스터 형태의 나노 소자를 기반으로, 입자의 스핀을 활용해 양자 중첩 현상을 구현하는 데 집중하고 있습니다. 이는 기존의 물리계와는 차별화된 접근 방식으로, 실용적인 양자 기술 구현을 위한 중요한 토대가 됩니다. 양자 중첩은 관측 전까지 물체가 가능한 모든 상태의 조합으로 동시에 존재할 수 있다는 원리입니다. 이러한 상태들은 서로 간섭하며, 측정 시에는 확률적으로 하나의 결과만이 나타나는 독특한 특성을 보입니다. 최근에는 이러한 파동의 간섭 현상을 이용해 연산 속도를 획기적으로 높이는 양자 컴퓨터와, 기존 기술로는 불가능했던 초정밀 측정을 가능하게 하는 양자 계측 분야가 큰 주목을 받고 있습니다. 연구실은 이러한 양자 기술의 근간이 되는 물리적 현상을 깊이 있게 탐구하며 미래 기술의 가능성을 열어가고 있습니다. 국내에서 양자 컴퓨터 연구를 수행하는 곳은 많지 않지만, 서울대학교 양자 집적 회로 연구실은 그중에서도 가장 활발하고 전도유망한 곳으로 손꼽힙니다. 연구원들은 섬세하고 꼼꼼한 실험 과정 속에서도 서로를 격려하며 학문적 성장을 도모하는 긍정적인 분위기를 자랑합니다. 특히 지도 교수의 세심한 논문 지도와 디테일한 실험 피드백은 연구원들이 복잡한 양자역학적 난제들을 해결해 나가는 데 큰 힘이 됩니다. 이러한 탄탄한 연구 환경은 세계적인 수준의 성과를 내는 원동력이 되고 있습니다. 연구실은 크게 두 가지 플랫폼을 중심으로 연구를 전개합니다. 하나는 반도체 소자 기반의 양자점 연구이며, 다른 하나는 다이아몬드의 결함인 NV 센터를 활용한 플랫폼입니다. 특히 최근에는 다이아몬드 기반 연구에서 발생하는 복잡한 신호를 분석하기 위해 머신러닝과 딥러닝 알고리즘을 적극적으로 도입하고 있습니다. 이는 물리학적 실험 데이터에 인공지능 기술을 접목한 혁신적인 시도로, 데이터 분석의 정확도를 높이고 새로운 물리적 통찰을 얻는 데 기여하고 있습니다. 현대 과학 연구에서 학문 간의 경계는 점차 무너지고 있으며, 양자 정보 과학 역시 예외가 아닙니다. 물리학뿐만 아니라 전자공학, 재료공학, 컴퓨터공학 등 다양한 배경을 가진 인재들이 모여 협력할 때 비로소 창의적인 해결책이 도출됩니다. 전자공학적 방법론과 자연과학적 탐구가 결합된 융합 연구는 양자 현상의 이해를 넓히고 실용적인 양자 시스템을 구축하는 데 필수적입니다. 연구실은 이러한 다학제적 접근을 통해 미래 양자 시대를 선도할 핵심 기술과 인재를 양성하는 데 주력하고 있습니다.

김도헌

카오스재단연구뭐하지

물리학