전 세계는 양자 기술을 미래 성장의 핵심 인프라로 인식하고 치열한 기술·산업 경쟁에 돌입했다. 한국 정부 역시 2035년까지 ‘양자경제 선도국’으로 도약하겠다는 퀀텀 이니셔티브를 발표하며 전략적 R&D, 인재 양성, 양자 소부장, 글로벌 협력 등 10대 추진 과제를 제시했다. 이처럼 급격한 기술 패러다임 전환의 한가운데서, 양자 기술을 국가·산업·과학적 관점에서 종합적으로 조망하는 콘텐츠가 최종현학술원의 기획으로 출간되었다.

《양자컴퓨팅 혁명》은 최종현학술원이 진행해온 ‘과학기술혁신 시리즈’ 강연 중 양자컴퓨팅 분야를 재구성한 결과물로, 양자컴퓨터 연구 최전선의 전문가들이 실제 강연과 토론에서 다룬 내용을 기반으로 집필됐다.

따라서 단순 설명서를 넘어, 한국이 지금 무엇을 주목해야 하고 어디에 투자해야 하는지 방향성을 제시하는 공적인 지식 자료라는 점에서 출간 의의가 크다.

《양자컴퓨팅 혁명》의 무게감은 무엇보다 저자로부터 나온다. 듀크대학교 전기컴퓨터공학·물리학 교수이자 세계 최초 양자컴퓨팅 상장기업인 아이온큐(IonQ)의 공동창립자인 김정상 교수가 1장과 2장을 집필하여 양자컴퓨팅의 기술적 원리부터 산업 전망, 네트워크 적용 가능성까지 전체 청사진을 제시한다.

3장을 집필한 성균관대 양자정보공학·나노공학과 교수이자 양자정보연구지원센터장인 정연욱 교수는 초전도 큐비트·냉각시스템·칩 제조공정 등 양자 하드웨어 전 분야를 다루는 국내 최고 전문가로서 한국표준과학연구원(KRISS)과 미국 국립표준기술연구소(NIST Boulder) 경험을 바탕으로, 한국의 양자팹(QFab) 제조 인프라 구축에도 핵심적 역할을 수행하고 있다.

한국표준과학연구원 초연결확장형슈퍼양자컴퓨팅 전략연구단 단장‧국가특임연구원과 미래양자융합포럼 공동의장인 김재완 박사는 양자·나노·디지털 정보의 경계를 잇는 탐구를 수행하며, 4장을 통해 양자혁명 전체의 의미를 직관적으로 설명한다. 특히 양자 중첩·편광 실험을 대중적 언어로 풀어내는 능력이 뛰어나, ‘양자세계의 본질’을 쉽게 이해하도록 돕는다.

[목 차]
  

축사

발간사

 

1장 양자컴퓨터와 첨단 기술의 미래 - 김정상

2장 양자컴퓨터로 구현하는 차세대 통신 네트워크 - 김정상

3장 초전도 소자 기술로 구현하는 양자컴퓨터 - 정연욱

4장 양자! 나노와 디지털을 넘어… - 김재완

5장 양자컴퓨팅 연구개발과 산업 전략에 대한 토론

- 대담 김정상·정연욱·김준기 사회 현택환·안정호

 

그림 표 출처

[본 문]
  

고전컴퓨터에서 정보의 기본 단위는 비트bit입니다. 0과 1로 구분해서 한 가지 상태만 표현한다는 전제하에 정보 처리가 이뤄지죠. 양자컴퓨터에는 양자 비트quantum bit 또는 큐비트qubit라 불리는 정보 단위가 있는데, 큐비트는 고전 비트와 구별되는 두 가지 특징이 있습니다.

-14쪽

 

우리는 고전물리학이 지배하는 세계에 익숙한 만큼 중첩과 얽힘 현상을 직관적으로 이해하기가 매우 힘듭니다. 하지만 일단 양자 현상을 자연법칙으로 받아들이면, 정보 처리 기술과 관련해 굉장히 큰 가능성이 열립니다. 그중 가장 핵심적인 기술이 병렬 처리parallel processing인데, 중첩과 얽힘을 이용하면 엄청난 경우의 수를 동시에 고려할 수 있습니다. 세 개의 비트로 이뤄진 레지스터register를 예로 들면, 고전적으로는 어느 한순간에 000부터 111까지 여덟 가지 상태 중에 한 가지만 존재할 수 있습니다. 하지만 양자컴퓨터에서는 큐비트가 세 개 있으면 여덟 가지 경우의 수를 동시에 표현하고 저장하고 처리할 수 있죠.

-17-18쪽

 

이제 앨리스는 자신에게 남은 고전 비트 두 개를 전화나 이메일 같은 고전적인 경로로 밥에게 보냅니다(그림 2-3B). 고전 비트에 담긴 상태 정보는 밥의 큐비트와 얽힌 상태로 벨 측정을 받은 후 양자 중첩이 붕괴되어 결정된 값이기 때문에, 밥의 큐비트가 가진 상태 정보와 상관관계가 있습니다. 또한 밥은 찰리가 원래 갖고 있던 큐비트의 양자 중첩 상태를 재현할 수 있는 지침도 지니고 있죠. 밥은 이 지침에 따라 고전 비트 두 개를 이용해 찰리가 갖고 있던 큐비트를 재현해냅니다(그림 2-3C). 이렇게 서울에 있던 찰리의 큐비트가 부산에 나타납니다. 이렇듯, 완전히 비공개 상태의 정보도 원격전송이 가능합니다. 이런 현상은 우리에게 익숙한 고전물리학으로는 설명이 불가하지만, 양자역학의 세계에서는 가능합니다. 얽힘을 통한 원격전송, 양자역학의 초능력 같은 것이죠.

-60쪽

 

지금까지 설명한 것처럼 양자 인터넷을 실현하기 위해서는 기술적으로 여러 요소가 뒷받침되어야 합니다. 그중 가장 많이 발전한 부분은 양자 인터페이스라고 할 수 있습니다. 네트워크의 기본이 되는 양자 메모리를 구현하고, 광자를 통해 큐비트 정보를 안정적으로 전달하며, 광자의 파장을 장거리 통신에 적합한 상태로 변환하는 기술 모두 실험적으로 입증됐죠. 하지만 양자 메모리를 떠난 광자가 손실 없이 멀리 이동할 수 있게끔 지원하는 광학 장치 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 복잡한 통신망에서 정보의 흐름을 효율적으로 분배하고 관리하는 기술 또한 앞으로 개발해야 할 필수 요소죠.

-71쪽

 

중첩 현상 덕분에 큐비트를 활용하면 방대한 연산 공간을 얻을 수 있습니다. 큐비트 수가 증가하면 그에 따라 양자컴퓨터의 연산 공간도 지수적으로 늘어납니다. 예를 들어, 큐비트 10개로는 210(1,024)개 조합을, 큐비트 50개로는 250(약 1.13경)개 조합을 동시에 고려할 수 있죠. 그리고 큐비트 300개로는 우주 전체에 존재하는 원자 수보다 많은 2300개 조합을 동시에 처리할 수 있습니다. 고전컴퓨터로도 비트 N개로 2N개 조합을 만들 수 있지만, 한 번에 처리할 수 있는 연산은 단 하나뿐입니다. 그래서 고전컴퓨터에서는 비트 수에 비례하여 연산 공간이 선형적으로 증가한다고 표현합니다. 2N개 조합을 차례대로 처리하는 게 아니라 동시에 처리한다는 점이 고전컴퓨터와 다른 양자컴퓨터의 강점입니다.

-81쪽

 

사실 작동 주파수가 외부 변화에 민감하다는 특징은 초전도 큐비트의 장점이자 단점입니다. 큐비트 간의 얽힘을 구현하고 상호작용을 제어하는 데는 유리하게 작용하지만, 외부 자기장이나 전기적 잡음에 의해 원치 않는 주파수 변화가 일어날 위험도 내포하고 있기 때문이죠. 구글과 IBM은 주파수 조정으로 큐비트 간 얽힘을 구현하는 전략을 취하고 있습니다. IBM은 과거에는 주파수 조정 없이 얽힘을 구현하는 교차공명cross-resonance 방식을 꾸준히 활용했는데, 1~2년 전부터는 하드웨어 구조를 조금씩 바꾸면서 구글과 마찬가지로 주파수를 조정하는 쪽으로 전환하고 있습니다.

-95쪽

 

한국은 특히 양자 제조 분야에서 잠재력이 큽니다. 양자 하드웨어를 만들기 위해서는 기존의 반도체 기술이 필요한데, 한국은 세계 최고 수준의 반도체 제조 기술을 갖추었기 때문입니다. 활용할 수 있는 제조 인프라가 많다는 것은 분명히 큰 이점이죠. 다만 반도체 산업이 지나치게 성숙한 상태라, 아직 초기 단계인 양자 산업계는 오히려 아쉬운 입장입니다. 예를 들어, 양자 소자 제조에는 보통 2~4인치 소형 웨이퍼가 필요한데, 이는 집적도가 낮았던 과거 반도체 공정에서 사용하던 규격입니다. 국내 반도체 공정은 대부분 8인치 이상의 대형 웨이퍼에 맞춰져 있어서, 2~4인치 웨이퍼를 다룰 수 있는 제조 시설은 현재 찾아보기 힘듭니다.

-108쪽

 

양자물리학은 통신 보안과 ‘병 주고 약 주는’ 관계입니다. 우선 ‘병을 주는’ 이유는 양자컴퓨터가 기존 암호 체계를 무력하게 만들 수 있기 때문입니다. 현재 인터넷이나 금융 거래 등에 쓰이는 암호 체계는 매우 큰 자연수를 소인수분해하기가 어렵다는 사실을 기반으로 합니다. 그러나 어렵다는 것은 상대적인 개념입니다. 같은 수학 문제라도 연산 도구와 방식에 따라 난이도는 달라질 수 있죠. 1994년 피터 쇼어는 양자 알고리듬을 활용하면 고전컴퓨터가 현실적인 시간 안에 풀 수 없는 소인수분해 문제를 빨리 해결할 수 있음을 이론적으로 증명했습니다. 이를 계기로, 양자컴퓨터의 공격에도 견딜 수 있는 이른바 양자 내성 암호 혹은 PQCpost-quantum cryptography를 개발하려는 움직임이 본격화되었습니다.

-135쪽

정재승 (KAIST 뇌인지과학과 교수, 복잡계 물리학자)

《양자컴퓨팅 혁명》은 과학적 난해함을 친절한 비유와 실험의 현장감으로 풀어내면서도, 기술이 향할 미래와 그것이 불러올 사회적 파장을 놓치지 않는다. 저자는 중첩과 얽힘이라는 양자역학의 추상적 개념을 착시와 편광 같은 일상적 이미지로 끌어내려 설명하고, 동시에 초전도 소자와 이온트랩 칩, 양자 인터넷 같은 최전선의 실험실 풍경을 독자 눈앞에 펼쳐놓는다. 무엇보다 이 책의 미덕은 양자컴퓨터를 단순한 계산 기계가 아니라 국가 전략, 산업 혁신, 심지어 지정학의 무대로 확장된 주제로 다루는 데 있다. 복잡한 기술 담론을 읽기 쉬운 이야기로 전환하면서도, 독자에게는 ‘이제 곧 다가올 세계’라는 긴장과 기대를 동시에 심어준다. 양자라는 이름의 혁명이 우리의 일상에 어떻게 스며들지 궁금하다면, 이 책이 그 가장 신뢰할 만한 안내서가 될 것이다.

 

곽재식 (숭실사이버대학교 환경안전공학과 교수, 작가)

이 책에는 양자 컴퓨터 기술의 현장에서 직접 땀 흘려 일하는 사람들이 가장 알려주고 싶어 하는 이야기들이 모여 있다. 그래서 양자 컴퓨터에 대한 지식을 그냥 환상적인 신화나 기이한 이야깃거리로 소비하는 단계를 넘어서서 그 구체적인 실체를 눈앞에 사실적으로 보게 해준다. 특히 한국인 학자들이 직접 쓴 글들인지라 미래의 양자 컴퓨터가 현실의 어느 영역에서 어떤 순서로 그 영향을 보여줄지를 무척이나 실감할 수 있으리라 생각한다.