[양자정보통신 인터뷰] ①(上)이준구 카이스트 교수

[뉴스포스트=이상진 기자] 지난해 10월 2일 대전 카이스트 본원 학술문화관에서 인공지능양자컴퓨팅 IT 인력양성 연구센터(이하 인공지능양자컴퓨팅 ITRC)가 개소했다. 인공지능양자컴퓨팅 ITRC는 우리나라 최초로 정부의 지원을 받아 설립한 양자컴퓨팅 특화 연구센터다.

이준구 카이스트 전기 및 전자공학부 교수는 개소 당시 인공지능양자컴퓨팅 ITRC 센터장으로 취임해 현재까지 센터를 총괄하고 있다. 본지는 양자정보통신 인력 양성과 원천기술 개발 현장의 야전사령관으로 불리는 이준구 교수를 만나 양자정보통신의 기본 개념과 국내 양자정보통신 기술 수준, 국내 양자 기술 발전을 위해 관련 업계와 종사자들이 나아가야 할 방향에 대해 이야기를 나눴다.

이준구 교수와의 만남은 12일 서울시 서초구 양재동 엘타워에서 이뤄졌다. 이날 엘타워에서는 11일부터 이틀 동안 이어진 ‘2019 양자컴퓨팅 국제컨퍼런스’가 폐막을 앞두고 있었다. 콘퍼런스에서는 이준구 교수 등 전 세계 양자컴퓨팅 전문가들이 한자리에 모여 양자컴퓨팅의 연구 성과를 발표했다.

인터뷰는 양자정보통신의 개념에 대해 이야기를 나눈 상편과 세계와 국내 양자정보통신 기술 동향과 비전을 짚어본 하편 등 두 편으로 나눠 진행했다.

▶ 양자라는 개념을 간략하게 설명한다면. 
“양자 또는 양자역학적인 상태는 대상 객체가 있는 게 아니고 개념을 이야기한다. ‘길다’, ‘짧다’ 등을 이야기할 때 물리적인 실체가 없지 않나? 이처럼 양자는 어떤 보이는 물건이나 대상체가 아니고 정확히는 현상이라고 보면 된다. 다만 그 현상이 거시 단계에서는 관찰되지 않는 아주 미세한 최소단위의 물리적인 상태에서 나타나기 때문에 간접적인 측정 방법에 의해서만 관찰하고 연구할 수 있다.”

▶ 양자역학과 정보통신이 어떻게 연결이 되나?
“예를 들어 원자는 다양한 양자역학적 성질을 보인다. 원자는 에너지가 없는 상태와 에너지가 있는 상태 등 두 가지로 표현할 수가 있다. 에너지가 있으면 1로, 없으면 0으로 기록하는 식이다. 그래서 원자가 2개면 가능한 조합이 2*2로 4개가 되고 3개면 2*2*2로 8개 등이 된다. 양자역학적인 성질을 보이는 원자 등의 다양한 조합을 정보로 활용하는 게 양자정보통신 기술의 핵심 개념이다.”

▶ 양자정보통신 기술이 기존 정보통신 기술과 다른 점은 뭔가.
“양자정보통신은 양자역학적으로 ‘중첩’이라는 성질 때문에 여러 가지 정보를 동시에 담아낼 수 있다. 또 양자역학적인 ‘얽힘’이라는 성질이 다양한 정보에서 우리가 원하는 연산이 가능하도록 해준다. 이때 양자정보통신에서 하나하나의 원자를 양자비트 또는 큐비트라고 부른다. 큐비트는 0 또는 1이 중첩된 상태인데 이는 0 또는 1로 정해진 기존의 비트와 다르다. 큐비트는 중첩 성질로 여러 개의 정보를 담는 동시에 얽힘 성질로 양자역학적인 정보처리가 가능해진다.”

▶ 중첩된 큐비트 상태를 얽힘 성질로 푼다는 의미인지?
“그렇다. 어떤 큐비트가 0이라고 하게 되면 다른 큐비트는 1이라고 하는 등 관계를 특정 짓는 것이 얽힘 성질이다. 모든 가능성이 있을 때 그 가운데 우리가 원하는 몇 가지를 뽑아내서 상관관계를 만드는 것이다. 8가지 경우 가운데 2번째와 4번째 계산 결과만 도출시켜 유지하는 게 얽힘이라고 할 수 있다. 모든 경우가 다 있으면 답이 아니다.”

▶ 큐비트들 사이의 얽힘 관계는 인위적으로 만드는 것인가.
“예를 들어 원자를 얘기했는데 원자들이 서로 가까워지면 서로 힘을 주고받는다. 이 주고받는 힘을 컨트롤할 수 있다고 하면 필요로 하는 얽힘에 관련된 동작을 얻어낼 수 있다. 가장 흔히 쓰이는 방법은 레이저를 이용하는 것이다. 원자 2개를 갖다 놓고 특정한 조건에 맞는 레이저를 쏘였더니 양쪽이 다 1인 상태들만 선택이 됐다고 하면 이 결과를 이용해 필요한 얽힘을 만들게 된다. 이때 레이저의 세기와 시간, 위상 등 다양한 조건들이 얽힘 관계에 영향을 끼치게 된다.”

▶ 큐비트는 물리적으로 구성을 하는 것인가?
“원자를 쓴다고 하면 원자 1개, 원자 2개, 원자 3개, 이렇게 가면 이게 1큐비트, 2큐비트, 3큐비트 이렇게 간다. 이처럼 원자로 사용하는 큐비트가 가장 발전된 기술인데 이를 ‘원자이온트랩’이라고 부른다. 또 이른바 ‘가짜 원자’ 또는 ‘유사 원자’라고 부르는 것으로 큐비트를 만드는 방법도 있는데 이를 ‘초전도 큐비트’라고 한다. 초전도 큐비트는 원자에서 볼 수 있는 현상과 비슷한 현상을 내는 초전도 회로를 만들어낸 것이다.”

▶ 현재 우리나라의 큐비트 기술 수준은 어느 정도인가?
“지금 우리는 2큐비트, 3큐비트 정도의 기술을 보유하고 있다. 앞으로 2~3년 내에 5큐비트까지 도달하는 것이 목표다. 세계적으로 보면 현재 IBM은 50큐비트, 구글은 72큐비트 정도 수준이다. 모두 초전도 큐비트를 사용한다. 구글이나 IBM은 양자정보통신 기술에 집중 투자를 한 지 15년 정도 지났다.”

▶ 양자정보통신에도 다양한 분류가 있는 것으로 알고 있다.
“응용 대상으로 보면 양자통신과 양자센서, 양자컴퓨팅 등 세 가지로 나뉜다. 시스템의 복잡도, 양자역학적인 복잡도로 보면 양자통신은 대략 1~2개 정도의 큐비트를 이용하고 양자센서는 2~10개 정도의 큐비트를 이용한다. 양자컴퓨팅은 이제 앞으로 최대 1만 개 정도 큐비트까지 나아가야 한다고 예상하고 있다. 현재의 양자컴퓨터는 계산 오류가 나는 등 완벽하지 않다. 그래서 복잡한 계산이 불가능하다. 흔히 이야기하는 50큐비트를 가진 오류 없는 양자컴퓨팅 등장의 장벽은 10년 이상 시간이 걸릴 것으로 예상된다.”

▶ 구글의 72큐비트 양자컴퓨터와 IBM의 50큐비트 양자컴퓨터도 완벽하지 않다는 말인가?
“그렇다. 불완전하지만 ‘쓸 만한’ 큐비트를 50~72개 정도 만든 것이다. IBM 등의 ‘초전도 큐비트’이든 ‘원자이온트랩’이든 모두 다 오류가 존재한다. 원자를 아주 조용한 상태에서 가만히 놔두면 오류가 없을 수 있는데, 굉장히 조용한 상태라는 것이 현실적으로 불가능하다. 원자가 지구 자기장 등 아주 미세한 전자기적 흐름에도 영향을 받기 때문이다. 그래서 현재 만들어진 큐비트는 완벽하지 않은 큐비트들이다. 이걸 NISQ(Noisy intermediate Scale Quantum Computer)라고 부른다. 양자컴퓨팅 분야의 경우 이 완벽하지 않은 큐비트들로 어딘가에 활용할 수 있는가를 향후 5년 내에 보여줘야 하는 단계에 와 있다.”

▶ ‘원자이온트랩’과 ‘초전도 큐비트’ 모두 불완전하다면 지금의 양자정보통신 기술은 근본적으로 문제가 있는 것이 아닌지?
“‘유효 큐비트’ 또는 ‘양자 볼륨’이라고 하는 게 있다. IBM의 경우 현재 50큐비트까지 개발했다고 하는데 이 가운데 유효한 큐비트 개수는 16~17개 정도다. IBM은 1년에 2배씩 유효 큐비트가 증가할 것으로 예상하고 있는데 2020년이면 30개가 넘고 2021년이면 60개가 넘게 된다. 양자컴퓨팅 분야에서는 유효 큐비트가 50개가 넘으면 슈퍼컴퓨터보다 빠른 계산을 하는 특수한 애플리케이션이 나올 것으로 보고 있다. 모든 큐비트가 완벽하지 않더라도 충분히 현재 비트 컴퓨터 기반 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자컴퓨팅이 가능한 것이다. 또 최종 목표인 1만 큐비트 수준의 양자컴퓨터를 만들면 여러 개의 큐비트를 묶어 논리적으로 오류를 없애는 하나의 큐비트처럼 동작시키는 기술을 생각하고 있다. 1만 개의 큐비트로 물리적 큐비트를 만들고 다시 1천 개나 1백 개 정도의 오류를 잡는 논리적인 큐비트를 만드는 것이다. 현재 반도체 하드 드라이브인 SSD가 그렇게 구성돼 있다.”