<nc한국인뉴스 Young Lee> 랄리, 노스 캐롤라이나 =

존 마르티니스 미국 UC샌타바버라 교수와 구글 인공지능(AI) 퀀텀팀은 “기존 최강 슈퍼컴퓨터로 푸는 데 1만 년 걸리는 과제를 3분 20초(200초)만에 푸는 새로운 양자컴퓨터 칩 ‘시커모어(Sycamore)’를 개발하고 성능을 시험하는 데 성공했다”고 10월 23일 과학전문지인 네처지에 논문을 게재하는 형식으로 발표했다.

구글이 이번에 개발한 시커모어는 53개의 큐비트(양자비트. 양자 정보 최소 단위)를 십(十)자 모양으로 연결해 구현한 최신 양자컴퓨터 칩이다.

<사진1; 시커모어 칩>

구글은 시커모어 칩을 초저온상태장치에 장착하여 위업을 달성했다. 초저온상태 장치(사진 2)가 곧 컴퓨터에 해당되고 시커모어(사진 1)는 거기에 들어간 칩이다.

<사진 2; 초저온상태 장치>

구글은 시커모어를 이용해 난수(亂數, random-number)를 증명하는 비교적 단순한 알고리즘을 수행하고 성능을 평가했다. 구글은 이 과제를 통해 ‘양자우월성(Quantum Supremacy)’을 달성했다고 밝혔다. 양자우월성은 양자컴퓨터가 기존의 슈퍼 컴퓨터 성능을 능가하는 것을 말한다.

현존 최강의 슈퍼컴퓨터는 미국 오크리지 국립연구소의 ‘서미트’이다.

구글은 "시커모어는 프로그래밍이 가능한 양자컴퓨터 칩"이라며 "이미 올해 봄 양자우월성을 달성한 뒤 지금은 양자화학과 머신러닝 양자물리 등에 응용하려 시험하고 있다"고 밝혔다.

관련 논문은 10월 23일 과학전문지인 네이처(Nature)에 “프로그램 가능한 초전도 프로세서를 사용한 양자 우위(Quantum supremacy using a programmable superconducting process)”로 게재됐다.

구글은 미국의 기업 IBM과 함께 양자컴퓨터 개발을 위해 세계에서 가장 공격적인 연구개발을 수행 중이다.

<경쟁사인 IBM은 반박>

이에 대해 경쟁사인 IBM이 반박을 하면서 논란이 커졌다. IBM 연구소장은 파이낸셜타임스 등에 직접 논평을 하며 “구글의 연구 결과를 믿을 수 없다”고 말했다. 자사 블로그에 글을 게재하고 논문 사전 공유사이트 ‘아카이브’에 논문까지 공개하며 “구글은 양자우월성에 도달하지 않았다”고 논평했다.

블로그 글과 논문에서 에드윈 페드노 IBM연구소 석좌연구원과 제이 감베타 IBM 연구소 부소장 등 세 명의 전문가도 “구글 문건은 기존 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 문제를 새로 개발한 양자컴퓨터 칩으로 3분 20초만에 풀었다고 밝히고 있지만, 우리가 다시 살펴본 결과 그 문제는 현존 슈퍼컴퓨터로 이틀 반이면 훨씬 높은 신뢰성으로 풀 수 있는 문제였다”며 구글이 기존 컴퓨터로는 도저히 불가능한 성능을 보인 것은 아니라고 주장했다.

그래도 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터의 속도를 추월한 양자우월성 입증은 IBM도 인정한 셈이다. 2.5일 걸리는 것을 단 200초에 해 냈다는 것은 큰 차이이다. 미 동부에서 한국에 가는 데 16시간 걸리는 것을 0.88분에 가는 것과 같다. 즉 1분도 안되는 시간에 한국을 가는 셈이다.

IBM은 양자우월성이 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터를 압도하는 개념이 아니라는 사실도 새길 필요가 있다고 주장했다. 에드윈 페드노 IBM연구소 석좌연구원 등은 “양자컴퓨터와 기존 컴퓨터는 각자의 고유한 강점이 있기에 한쪽이 다른 쪽의 우위에 서는 관계가 아니라 오히려 협업하게 될 것”이라고 말했다.

<의의>

과학자들은 수년간 양자컴퓨터가 기존 고전 컴퓨터 보다 성능이 우수하다는 것을 입증하기 위해 노력해 왔다. 이번 연구는 양자컴퓨터 분야의 큰 이정표라는 것이 전문가들의 평이다. 다만 아직은 개발중이므로 무조건적인 낙관이나, '이제 모든 암호가 뚫리게 됐다'는 성급한 두려움은 피해야 한다고 말한다.

MIT교수로 양자 전문가인 윌 올리버(Wil Oliver)는 이번 구글의 성과를 ‘라이트 형제의 첫 비행’에 비유했다. 그는 이 기술이 관련 분야 연구에 더 많은 자극을 줄 것이며 양자 컴퓨팅이 더 빨리 약속을 달성하는 데 도움이 될 것이라고 말했다.

양자 컴퓨팅은 고전적인 컴퓨터로는 불가능한 물리 및 화학 시뮬레이션에 사용될 수 있다. 새로운 약물과 태양 전지판을 만들고 인공 지능과 자율 주행 자동차를 개발하고 투자 포트폴리오를 관리 할 수도 있다. AI(인공지능)에 충분한 컴퓨팅 파워를 제공 할 수 있다.

순다르 피차이 구글 최고경영자(CEO)는 양자우위 논문이 네이처에 실린 직후 블로그를 통해 “오늘의 성공은 '아무 소득 없이 뭣 하러 우주로 나가는가?'란 말을 들어야 했던 최초의 우주로켓 설계 당시에 비유할 수 있다”면서 “결국 인류가 달과 화성에 도달한 것처럼 양자컴퓨터도 많은 일을 해낼 것이고, 양자우위는 중요한 이정표가 될 것”이라고 말했다.

■용어 설명 :

** 양자컴퓨터: 양자컴퓨터는 관측 전까지 양자가 지닌 정보를 특정할 수 없다는 ‘양자 중첩성(quantum superposition)’과 ‘양자 얽힘(quantum entanglement)이라는 양자역학적 특성을 이용한 컴퓨터이다.

가) 양자중첩성(quantum superposition):

양자중첩성을 이해하는 데에는 유명한 물리학자 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 비유가 있다. 하나의 상자에 고양이를 넣고 그 상자에 독가스관을 연결시킨다. 독가스관은 다른 방에 있는 동전에 연결되어 있다. 이 방에는 아무도 들어갈 수가 없다. 다른 방에서 동전이 던져서 동전의 앞면이 나오면 독가스관은 열려 고양이는 사망한다. 뒷면이 나오면 독가스관은 닫혀진 상태로 고양이는 살아있다. 마침내 동전이 던져졌다.

그러나 관찰자가 상자 뚜껑을 열어보기 전까지 또는 동전이 앞면인지 뒷면인지 알기 전 까지는 고양이가 죽어 있는지 살아 있는지 알 수 없다. 살아 있을 수도 있고 죽어 있을 수도 있다. 확률은 각각 50%이다. 즉 관찰자의 입장에선 두가지 상태가 존재하는 것이다. 이것을 중첩이라고 한다. 즉 동시에 두 가지 상태가 존재하게 된다.

미시 세계인 양자상태에선 이처럼 입자가 양자중첩(quantum superposition) 상태에 있다.

나) 양자얽힘(quantum entanglement):

입자가 두 개 있다고 하자. 양자역학에 따르면, 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없다. 하지만 측정을 한다면, 그 순간 한 계(하나의 세계)의 상태가 결정되고 이는 즉시 그 것과 얽혀 있는 다른 계의 상태까지 결정하게 된다. 이는 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보인다.

예) 한 컬레의 장갑이 있다. 하나는 왼손, 다른 하나는 오른손용이다. 아무도 모루게 두개의 상자에 각각 하나씩 넣는다. 그리고 각각 남극과 북극에 갖다 놓는다.

북극에 있는 사람(측정자)은 상자 안에 넣어 있는 장갑이 뚜껑을 열기 전에는 오른손용인지 왼손용인지 알 수 없다. 그러나 뚜껑을 여는 순간 알 수 있다. 그리고 북극의 상자가 오른손 장갑이면 남극에 있는 상자는 왼손용이다. 그 반대도 마찬가지이다. 즉 뚜껑을 여는 순간 다른 쪽의 상자 안의 상태가 결정되는 것이다.

즉 "양자 얽힘"서로 멀리 떨어진 두 입자가 존재적으로 연결돼 있어 한 입자의 상태가 확정되는 즉시 다른 입자의 상태도 변한다는 것을 뜻하는 물리학 용어다.

다) 컴퓨터 이메일 암호를 0에서 1의 두 숫자의 배열로 만들었다고 가정하자. 그러면 암호는 넷 중 하나가 된다. 즉 00, 01, 10, 11이 된다.

도둑이 침입해서 이메일을 훔쳐보기 위해 암호를 넣어야 하는데 도둑은 네가지 숫자 배합을 넣어야 한다. 즉 네 번 시도를 해야한다. 한 번 시도할 때 마다 1초씩 걸린다면 4초가 걸린다. 이것이 고전 컴퓨터의 방식이다.

그러나 양자컴퓨터는 00, 01, 10, 11 네가지를 동시에 넣는다. 그러면 컴퓨터 이메일은 넷 중 하나를 적용하여 이메일이 열린다. 즉 한 번에 숫자 조합 내개를 동시에 보여주기 때문에 1초밖에 걸리지 않는다. 즉 암호를 푸는 시간이 1/4로 단축된다.

**난수(亂數):

난수란 정의된 범위 내에서 무작위로 추출된 수를 일컫는다. 난수는 누구라도 그 다음에 나올 값을 확신할 수 없어야 한다.

예) 주사위: 주사위에는 1-6까지 숫자가 있다. 각 숫자가 나올 확률은 똑 같다. 처음 던졌을 때 5가 나왔다고 하자. 그러나 두 번째 던졌을 때 어느 숫자가 나올지는 아무도 모른다. 이러한 1에서 6까지의 숫자를 무작위(random)로 배열한 것이 난수(random-number)이다.

공장에서 물건을 만들고 불량품 테스트를 할 때, 모든 물건을 다 테스트 할 수는 없다. 이 때, 난수를 이용해 무작위로 제품을 뽑아서 불량품 테스트를 한다. 여론조사를 실시 할 때, 특정 사람들만 뽑아서 여론 조사 대상자로 삼는 것 역시 난수를 활용하는 것이다.

**병렬처리: 덧셈 문제 100개를 숙제로 풀어야 한다고 하자.

친구가 도와준다면 절반 시간에 숙제를 마칠 수 있고, 친구 99명이 하나씩 나눠서 푼다면 100배 빠른 속도로 해결할 수 있다. 컴퓨터가 이런 식으로 문제를 나눠 해결하는 방식을 ‘병렬처리’ 한다고 말한다.

병렬처리에 뛰어난 대표적인 문제에 암호풀이와 데이터검색이 있다. 온라인 거래를 할 때 사용하는 패스워드를 고전컴퓨터로 푼다면 수천 년이 걸린다. 하지만 양자컴퓨터로 몇 분이면 풀 수 있다. 패스워드가 모두 다 깨진다면 한 나라가 당장 큰 혼란에 빠질 수 있다. 무엇보다도 국방이 심각하게 위협받는다.

• 글쓴날 : [2019-11-09 09:32:00.0]

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