- 美 메릴랜드대 먼로 교수 연구팀
- 최근 이온덫 이용 소형크기 개발
- 연산 수행 정확도 90~95% 달해
- 구글·IBM도 실물 구현에 주력

'꿈의 컴퓨터'로 불리는 양자컴퓨터는 양자역학적 원리에 따라 작동되는 미래형 컴퓨터다.

이 컴퓨터가 실용화된다면 기존 컴퓨터로 100만 년 이상 걸리는 암호화 프로그램을 1시간 이내에 처리할 수 있을 것으로 추정되고 있다. 계산이 오래 걸려 기존 컴퓨터로는 시도할 수 없는 복잡한 시뮬레이션도 양자컴퓨터는 금방 처리할 수 있어 의약품과 신물질 개발 등에 획기적인 발판을 마련할 것으로 기대를 모으고 있다.

미국 메릴랜드대 연구팀이 개발한 범용 양자컴퓨터의 모습. 네이처·연합뉴스

■저장단위 '큐비트' 사용

양자(Quantum)란 에너지를 가진 최소 단위를 의미한다. 양자컴퓨터는 노벨물리학상을 받은 리처드 파인만이 1983년에 처음 제시했다. 중첩, 얽힘, 결맞음 등 양자의 특성을 활용한 것으로 컴퓨터 연산능력을 획기적으로 높일 수 있다. 최초의 양자컴퓨터는 1997년 IBM의 아이작 추앙(현 MIT 교수)이 개발했다.

이온트랩.

양자컴퓨터는 기본 원리부터 기존 컴퓨터와 다르다. 기존 컴퓨터의 연산은 0과 1로 각각 표시되는 비트(bit)를 단위로 해서 순차적으로 이뤄진다.

반면 양자컴퓨터의 연산 단위인 큐비트(qubit)는 0과 1을 동시에 표시한다. 큐비트 4개는 2의 4승인 16개의 정보를 동시에 나타낼 수 있다. 큐비트가 늘어날수록 연산속도는 기하급수적으로 빨라진다.

정연욱 한국표준과학연구원 양자측정센터 책임연구원은 "큐비트는 양자컴퓨터의 정보저장 단위"라며 "개념적으로는 일반 컴퓨터에서 디지털 신호의 단위인 '비트'의 양자역학적 형태에 해당하고 하드웨어적으로는 반도체 소자에서 트랜지스터에 해당하는 기본 구성요소를 지칭한다"고 설명했다.

■정확도 95% 소규모 양자컴퓨터 개발

미국 항공우주국(NASA)가 공개한 양자컴퓨터(quantum computer)용 512 큐비트 칩 'D-웨이브 베수비우스'.

최근 다양한 연산을 수행할 수 있는 소규모 양자컴퓨터가 개발됐다. 크리스토퍼 먼로 미국 메릴랜드대 교수팀은 이온을 가둬두는 '이온덫(이온트랩)'을 이용해 양자컴퓨터를 구현, 이 컴퓨터가 90~95%의 정확도로 연산을 수행하는 것을 확인했다고 과학전문잡지인 '네이처'(Nature)에 발표했다. 이 양자컴퓨터는 이온트랩으로 고정된 5개의 큐비트로 구성됐다.

이 컴퓨터는 레이저를 이용해 이온 상태를 조절하고 연결해 연산을 수행했다. 연구진은 컴퓨터가 안정적으로 구동한다는 것도 확인했다.

정 연구원은 "이번 연구는 그간 실험실 수준에서 구현됐던 이온트랩 방식의 양자컴퓨터를 상용화할 수 있는 장치로 구현할 수 있다는 가능성을 보여준 것"이라고 그 의의를 설명했다. 안도열 서울시립대 석좌교수는 "먼로 교수팀은 오래전부터 이온트랩을 이용한 양자컴퓨터를 개발해왔다. 이번에 실제 구동하는 컴퓨터를 개발한 것은 과학적으로 의미가 아주 크다"고 말했다.

현재 양자컴퓨터 구현에는 이온트랩 방식과 함께 초전도 방식이 유력하다는 평가를 받고 있다. 초전도 방식은 특정 온도 이하에서 물질의 저항이 사라지는 현상을 이용하는 것인데, 구글과 IBM 등이 이 방식에 주력하고 있다.

정 연구원은 "IBM은 올해 초부터 5개 큐비트 초전도 양자컴퓨터를 클라우드 서비스로 일반에 공개해 운영 중이고, 구글은 자체 개발한 초전도 양자컴퓨터로 분자의 전자구조를 시뮬레이션했다고 지난주에 발표했다"고 말했다.

조민희 기자 core@kookje.co.kr