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양자컴퓨터에 도전하는 한국 과학자


최근 서울시립대 전자전기컴퓨터공학부 안도열 교수(44세)가 미국 전기전자공학회(IEEE)의 2005년도 펠로우(Fellow, 특별회원)로 선정됐다. IEEE는 매년 엄격한 심사를 통해 전세계적으로 전자 및 전기공학 분야에서 탁월한 학문적 업적과 리더십을 달성한 극소수의 뛰어난 과학자와 엔지니어를 IEEE 펠로우로 선정해 명예를 수여한다.

IEEE는 최근 안교수가 <반도체 양자우물 레이저의 이론과 양자정보통신>에 기여한 공로를 인정해 그를 펠로우로 선정했다고 발표했다. 안교수가 1988년 IEEE 퀀텀일렉트로닉스(Journal of Quantum Electronics)에 발표한 반도체 레이저의 성능 개선에 관한 논문 등은 5백여회 인용됐으며, 논문에 소개된 서로 다른 반도체를 접합시켜 반도체 레이저의 발광 효율을 2배 이상 개선시킬 수 있는 방법은 현재 DVD 기기 등 대용량 광저장 매체의 핵심기술이 되고 있다.

최근 안교수는 큐빗 수에 제한이 없고 추후 상업화가 가능한 반도체 방식의 양자컴퓨터를 연구하고 있다. 선진국에서도 최근에 시작된 연구 방향이다. 미국의 첨단과학기술협의회(ARDA)의 양자컴퓨팅 로드맵에 따르면 양자컴퓨팅 연구의 축이 점차 반도체를 이용한 큐빗 구현으로 바뀔 것이라고 예측되고 있다. 큐빗이란 양자와 비트의 합성어로 컴퓨터 연산에 쓰이는 양자를 말한다.

현재 컴퓨터에 사용되고 있는 폰노이만 방식은 연산을 순차적으로 수행해 자리수가 늘어나거나 데이터가 다양해지면 처리시간이 기하급수적으로 증가한다. 한 예로 129자리 암호를 푸는데 인터넷에 연결된 전세계 1600대의 슈퍼컴퓨터를 동원해 8개월이 걸렸다. 하지만 이론적으로 양자컴퓨터는 몇 분만에 문제를 풀 수 있다.

양자정보처리연구단의 안도열 교수.

양자컴퓨터의 원리는 간단하다. 디지털 데이터가 0과 1로 처리되듯, 양자 입자가 업(up)상태일 때는 1로, 다운(down) 상태일 때는 0으로 인식된다. 하지만 양자(量子,Quantum)의 세계에서는 0과 1이 동시에 존재한다. 이런 특수한 현상을 이용해 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 순차적으로 수없이 계산해야 할 것을 한번에 해치운다. 따라서 양자수가 많아질수록 계산 속도는 엄청나게 빨라진다.

양자컴퓨팅 아이디어는 1982년에 천재물리학자 리처드 파인만에 의해 처음 제안됐다. 1997년 IBM의 아이작 추앙이 핵자기공명으로 2비트 양자컴퓨터를 구현하자 양자컴퓨팅 연구가 본격화됐다. 이후 IBM 알마덴연구소와 로스알라모스 연구소는 7비트 양자컴퓨터를 개발했으며, 국내에서도 2001년 한국과학기술원의 물리학과 이순칠 교수가 핵자기공명 방식의 3비트 양자컴퓨터를 개발했다.




양자컴퓨팅을 실현하는 기술적 방법에는 핵자기공명·광·이온 트랩·초전도소자 등이 있다. 이중 핵자기공명 방식은 IBM 등 전세계적으로 가장 많이 연구되는 방식이다. 마그네틱 필드나 초고주파를 이용해 큐빗의 업과 다운 상태를 조절한다. 또 분자 전체의 상호작용을 이용해 여러 큐빗의 조합 상태를 조절해 연산을 수행한다. 하지만 연산에 충분한 큐빗 수를 확보하기 위해 분자가 커지면 큐빗간 거리가 멀어져 상호작용효과를 이용할 수 없게 된다. 이순칠 교수는 "양자컴퓨터의 가장 큰 난관은 현재 2-7개로 실험되고 있는 양자의 수를 더 이상 늘리기 어렵다는 점"이라고 지적한다.

반면 반도체 방식은 큐빗 수에 제한을 받지 않는 획기적인 방법이다. 안교수는 국가경쟁력을 높일 수 있는 연구주제를 찾다가 우리나라가 가장 앞서는 분야인 반도체를 양자컴퓨팅에 접목시킨 반도체 양자컴퓨팅을 떠올렸다. 파인만이 기존과 색다른 양자를 이용한 컴퓨팅을 떠올린 것처럼 안교수도 양자컴퓨팅에 새롭게 반도체를 적용했다. 이 아이디어를 토대로 한 창의연구가 1997년 과학기술부 창의진흥연구사업에 선정돼 ‘양자정보처리연구단’이 만들어졌다.

반도체 큐빗 연구에사용되는 나노패터닝 장비.

현재 안교수가 단장으로 있는 양자정보처리연구단은 반도체 1개로 큐빗을 만들어 이를 제어해 양자컴퓨팅을 수행하고 있다. 최근에는 반도체 2개로 큐빗을 만들어 양자컴퓨팅을 수행하기 위한 작업이 진행중이다. 반도체 2개의 큐빗으로 만들어지는 4가지 상태의 큐빗조합을 관찰할 수는 있으나 아직 이들을 제어하는데 어려움을 겪고 있다.

안교수는 "반도체 2개의 큐빗을 제어하게 되면 반도체를 이용한 양자컴퓨팅의 기본단위가 완성된다. 반도체 양자컴퓨팅 방식에서 1개와 2개의 큐빗을 각각 제어해 이들을 조합할 수만 있다면 이후에는 큐빗 수만 늘리면 된다"며 반도체 양자컴퓨팅 현실화에 희망적인 기대를 갖게 만든다. 그러나 "실용화까지는 아직 기술적인 문제가 많이 남아있어 충분한 시간이 필요하다"며 지나친 낙관주의를 경계하고 있다.



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