역사를 돌이켜 보면 물리학의 혁명적 진보는 항상 새로운 공학기술과 산업을 불러왔다. 17세기 뉴턴에 의해 정립된 중력과 역학이론의 여파로 생겨난 기계공학과 산업혁명이 인류의 문명사에 큰 획을 그었다면 19세기 말에 정립된 전자기학은 전기 문명으로 대변되는 20세기의 기술 문명과 현재 정보기술(IT)의 토대가 됐다. 만약 전기가 없다면 우리의 일상이 어떠할지 생각해 보자. 우리가 당연시하고 있는 컴퓨터와 스마트폰은 물론 전기 조명조차도 없을 것이다. 유명한 역사학자인 E H 카는 ‘역사는 필연적으로 반복된다’고 말했다. 그렇다면 20세기에 정립된 양자물리학이 차세대 기술과 산업의 요람이 될 것은 분명해 보인다.

안도열 서울시립대 석좌교수·양자전자공학

양자물리학은 미시적인 세계의 주역인 원자, 전자 또는 광자의 상태가 ‘0’ 또는 ‘1’로 표현되는 단순한 숫자가 아닌 힐버트 공간이라고 불리는 추상적인 수학공간의 벡터로 기술돼야 함을 알려 줬다. 이러한 벡터 상태의 중요한 특징은 이른바 ‘큐비트’로 불리는 양자비트 하나로 ‘0’과 ‘1’의 상태를 동시에 표현하는 것이 가능하며 이를 이용해 여러 연산을 수행할 수 있다는 점이다. 만약 32개의 양자 상태를 연산에 사용하면 232 또는 약 40억개의 연산을 동시에 수행할 수 있게 된다. 예를 들어 현재의 컴퓨터로 약 40억초(100년)가 필요한 하나의 연산이 양자컴퓨터로는 단 1초에 끝낼 수 있다. 더 나아가 64개의 양자상태를 활용할 수 있는 양자컴퓨터는 현재의 고성능 컴퓨터가 1만년에 걸쳐 수행해야 할 연산을 단 1초 만에 끝낼 수 있다. 이러한 양자컴퓨터의 천문학적 연산능력은 IT는 물론 국방, 제약 및 생명공학 등에 놀라운 파장을 불러일으킬 것으로 판단된다.

이런 가운데 2012년도 노벨 물리학상은 획기적인 실험기법을 발견해 양자컴퓨터의 개발에 필요 불가결한 개별 양자계의 측정 및 조작을 가능케 한 프랑스의 세르주 아로슈와 미국의 데이비드 와인랜드에게 돌아갔다. 노벨 물리학상이 이처럼 양자컴퓨팅 분야에 돌아간 것은 양자컴퓨터와 양자암호로 대변되는 양자정보통신기술이 중요한 미래기술임을 시사해 준다.

이에 미국의 오바마 행정부는 양자정보통신기술의 중요성을 인식하고 연방정부 차원의 국가 프로그램을 수립해 매년 1조원 이상을 연구개발(R&D)에 투자하고 있다. 아시아에서는 일본, 중국, 싱가포르 등이 연 1000억원 이상을 투자하고 있다. 이는 완벽한 보안, 천문학적인 정보처리 속도의 향상, 그리고 기존의 IT로는 불가능한 물질의 직접 전송 등을 가능케 할 양자정보통신기술이 미래 산업을 이끌 차세대 IT의 화두로 전 세계적인 주목을 받고 있다는 객관적 근거가 되고 있다.

현재 수조 원의 예산과 10년 이상의 개발 기간이 소요되는 신약개발에 필요한 단백질 등 고분자구조의 계산시간을 양자연산을 이용하면 획기적으로 단축할 수 있을 것이다. 또한 양자물리학에서만 가능한 양자 얽힘을 이용하면 현재의 기술로는 불가능한 물질의 직접전송이 가능해져 미래에는 향수에 대한 TV 광고에서 향기를 직접체험할 수도 있을 것 같다. 양자물리학의 복사 불가능 원리를 이용한 양자암호(QKD) 기술은 유럽을 중심으로 실용화 단계에 들어서고 있으며 이 기술의 완벽한 보안 가능성에 힘입어 오스트리아 빈 시는 적극 연구를 지원하고 있다.

결국 19세기 말 산업혁명에 동참한 국가가 세계를 제패했듯 미래는 양자정보통신기술 혹은 퀀텀 테크놀로지를 확보한 국가가 세계를 지배할 것으로 생각된다는 점에서 양자정보통신기술에 대한 보다 많은 관심이 필요해 보인다.

안도열 서울시립대 석좌교수·양자전자공학