1. 아래 글은 영국의 과학잡지 <<네이처>> 2010년 1월 28일자 Q&A 난(463권, pp. 441-443)에 실린, 에마누엘 닐(Emanuel Knill)의 양자 계산(quantum computing)의 현황과 전망에 대한 의견을 옮긴 것이다.
2. 에마누엘 닐은 미합중국 콜로라도주 볼더(Boulder)시에 소재한 국립표준연구소의 수리계산과학부 연구원으로 재직하고 있다.
양자 계산
Quantum computing
양자역학을 활용하는 컴퓨터를 제작하기 위한 경쟁이 진행중이다. 그런 기계는 물리학, 수학, 그리고 암호학에서 한때 해결할 수 없다고 여겨진 문제들을 풀 수 있을 것이며, 정보기술에 혁명적인 변화를 가져오고 물리학의 토대를 조명할 수 있을 것이다. 그러나 언제?
양자 컴퓨터는 무엇인가?
우리는 그것을 양자 정보에 접근할 수 있고 그것을 조작할 수 있는 전통적인 컴퓨터로 생각할 수 있다. 전통적인, 즉 고전적인 컴퓨터에서 정보는 비트라고 하는 '0'과 '1'의 열들로 표현된다. 양자 정보는 그 대신에 양자 비트, 즉 큐비트(qubit)를 사용한다. 하나의 큐비트는 비트값 0과 1에 해당하는 두 가지 구별가능한 배치를 갖는 양자계이다. 그런데 양자계이기 때문에 중첩 원리(superposition priniciple)가 적용되는데, 큐비트의 상태는 그 두 배치의 어떤 조합, 즉 중첩도 가능하다. 비슷하게, 하나의 큐비트 열은 그것의 비트열 배치들의 어떤 어떤 중첩 상태에도 있을 수 있다. 이 때문에 양자 간섭을 활용하게 되며, 표현될 수 있는 그런 종류의 정보가 대단히 풍부해진다.
큐비트는 무엇으로 이루어지는가?
큐비트를 구성하기 위한 최초의 제안들 가운데 하나는 광자(photon, 빛의 양자)에 바탕을 두었다. 이 경우에는 두 가지 구별가능한 배치를 한 개의 광자가 한 쌍의 편광 선글라스로 구성된 렌즈와 같은 편광판을 통과하는지 여부와 연관시킬 수 있다. 여타의 많은 양자계가 사용될 수 있다. 예를 들면 갇힌 원자들이나 분자들과 초전도 회로에서의 전자들의 집단적 거동이 있다. 원자들과 이온들의 경우에 그 두 배치는 서로 다른 전자 배열과 핵 배열에서 비롯되며, 초전도 회로의 경우에는 그 배치들이 계의 전하(예를 들면, 전하를 띠거나/띠지 않거나) 또는 다발(예를 들면, 시계 방향의/반시계 방향의 전류에 의해 유도되는)에 의해 특징지워질 수 있다.
양자 정보는 어떻게 처리되는가?
양자 계산은 많은 큐비트의 상태에 대한 물리적 조작―초기화, 제어, 그리고 측정―을 필요로 한다. 제어는 양자 게이트, 고전적 논리 게이트의 양자적 유사체를 적용함으로써 이루어진다.
양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 더 빠른까?
몇 가지 문제들은 양자 컴퓨터로 훨씬 더 빨리 풀 수 있다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터의 확장이기 때문에 전자는 항상 최소한 후자만큼 빠르다. 그러나 큐비트 처리 비용과 워드프로세싱과 같은 많은 응용들의 특질을 고려하면, '양자로 갈' 때 일반적인 속도 이점은 없다.
양자 계산의 잠재력은 언제 처음으로 인식되었는가?
이십 세기 후반 동안 양자계의 실제적 잠재력에 대한 이해가 점점 더 커졌다. 연구자들은 양자계들을 직접 조작함으로써 고전 컴퓨터를 사용한 양자 현상의 모의실험에 대한 장애물들을 피해 갈 수 있음을 깨달았다. 이것이 더 효율적인 계산을 수행하기 위해 양자계를 활용하는 양자 계산이라는 착상을 낳았다. 그러나 그 주제는 여전히 주로 학문적 관심 사항인 듯하다.
무엇이 그 분야를 촉진시켰는가?
그것은 1994년에 피터 쇼어(Peter Shor)가 큰 수들을 인수분해하기 위해 고안한 두드러지게 효율적인 양자 알고리즘인데, 그 다음에 '신탁' 문제들(내부 작동장치에 접근할 수 없는 블랙박스를 포함하는 문제들)에 대한 양자 해답들의 점점 더 인상적인 사례들이 이어졌다. 쇼어의 알고리즘은 인터넷 통신과 거래를 위해 일반적으로 사용되는 암호 코드를 해독할 수 있었다. 양자 컴퓨터가 구체적인 이점들을 지니고 있으며, 양자 컴퓨터 제작의 실용성을 평가하는 것이 필요하고 가치가 있다는 점이 명백해졌다.
양자 컴퓨터는 그밖의 어떤 다른 것에 유익한가?
양자 알고리즘들이 고전 컴퓨터보다 엄청나게 더 빠르게 해답들을 산출할 수 있는 비슷하게 잘 구조화된 다른 수학적 문제들이 있다. 두드러지게도, 양자 현상에 관한 모의실험들―양자 컴퓨터를 고려하는 원래의 동기들 가운데 하나―에서 급격한 속도 증가가 발견된다. 특히, 그것들은 가상 실험실을 제공하여 선택한 양자 모형들을 구현할 수 있다. 최적화와 적분 문제들에 대해서는 덜 극적이지만 여전히 실질적인 속도 증가가 존재한다. 다른 당사자들 사이에서 소통되는 정보량의 감소를 포함하는 문제들도 있는데, 그것들에 대해서는 양자 알고리즘들이 이론적으로 입증된 급격한 이점들을 지니고 있다.
그것이 전부인가?
많이 있다! 우리가 갖고 있는 것은 폭넓게 응용될 수 있는 수많은 기초적인 양자 알고리즘 도구이며, 우리는 그런 도구들을 더 많이 찾고 있다. 우리는 양자 컴퓨터로 더 효과적으로 풀 수 있는 문제들을 어떻게 재조직하거나 분류해야 할 지 모른다. 나는 우리가 아직 상상할 수 없는 응용들이 있다고 확신한다.
양자 컴퓨터를 제작하는 데 무엇이 필요한가?
큐비트를 구현하기 위한 두 가지 구별할 수 있는 배치를 소유하는 양자계들을 제공할 수 있는 물리적 매체가 필요하며, 그 구성은 큐비트들이 적절히 고립되게 하는 그런 것이어야 한다. 특히 큐비트들의 환경이 그것들의 배치를 '감지'할 수 없어야 하는데, 그렇지 않으면 간섭을 활용하는 데 필요한 아날로그 배치 진폭들의 특징들이 불안정해지고 '결이 풀릴' 것이다. 그런 결풀림(decoherence)이 거시 세계에서는 중첩의 효과들이 일반적으로 관찰되지 않는 이유들 가운데 하나이다. 큐비트들의 상태를 조작하기 위해서는 원치 않는 계산 오류들이나 결풀림을 도입하지 않는 통제된 방식으로 고립을 깰 필요가 있다. 일반적으로 이것은 여타의 큐비트들에게 영향을 미치지 않는 채 개별적인 큐비트들과 큐비트 쌍들의 상태에 접근하고 그것을 수정할 수 있어야 한다―고전 컴퓨터에서 한 개 또는 두 개의 비트에 작용하는 회로 요소들을 적용함으로써 비트들이 조작되는 방식과 대체로 같은 방식으로―는 점을 의미한다.
'얽힘'이 필요한가?
얽힘(entanglement)은 공간적으로 떨어진 두 개 이상의 양자계들의 어떤 결합상태들의 특성이다. 그것은 구성 요소가 되는 계들 각각의 상태들의 고전적 조합으로 설명할 수 없는 방식으로 그 계들을 연결한다. 이 때문에 얽힘은 다른 당사자들이나 양자 컴퓨터들 사이의 양자 통신의 위력을 밝히기 위한 자원으로서 핵심 역할을 수행한다. 비슷하게, 2큐비트 게이트들을 응용할 목적으로 멀리 떨어진 큐비트들 사이에 연결을 구축하는 데 충분히 순수한 얽힘을 사용할 수 있다. 양자 계산은 본질적으로 큐비트들의 공간적 분리를 필요로 하지는 않지만, 일단 물리적 매체에서 큐비트들을 식별하면, 그것들 사이의 얽힘을 고려할 수 있는데, 많은 연구자들이 첫 번째 단계로서 그것의 징조를 찾는다. 그렇지만 우리는 얽힘이 양자 컴퓨터를 강력하게 만드는 데 충분하지 않다는 점을 알고 있다. 얽힘을 형성하기는 쉽지만 양자 계산을 유용하게 수행하기는 어려운 큐비트들의 두드러진 예들―광자 큐비트들과 같은―이 있다.
배치 진폭들의 아날로그적 특질이 문제를 일으키는가?
짧은 답변은 그렇지 않다는 것이다. 그러나 왜 그런지 이해하는 데는 많은 연구가 필요했다. 처음에, 대부분은 고전 아날로그(디지털에 대립되는 것으로서의) 컴퓨터를 제작하면서 만난 어려운 점들이 양자 컴퓨터에도 적용될 것이라고 느꼈다. 특히 계산 결과가 원하는 대답에 충분히 접근하기 위해서는, 게이트 수가 커짐에 따라 양자 게이트들이 점점 더 정확해져야 할 것처럼 보였다. 계산 게이트들의 기초가 되는 물리적 상호작용들이 연속적인 범위의 값들을 취하는 매개변수들에 의존하기 때문에 높은 정확도를 직접 얻는 것은 비실제적이라고 일반적으로 믿는다. 그런데 이런 목적으로 개발된 양자 오류수정 전략을 적용함으로써 상대적으로 제한된 자원을 사용하여 양자 계산을 임의적으로 정확하게 디지털화하는 것이 가능하다고 판명된다.
양자 오류수정이 작동할 것인가?
양자 컴퓨터를 제작하는데 필요한 요구사항들이 충분히 충족될 수 있다면, 그것은 물리적으로 합당한 계산 오류들과 결풀림 과정들의 효과들을 제거할 수 있다. 특히 큐비트들의 물리적 조작은 충분히 정확하게 수행될 것임에 틀림없다. 그러나 그것은 생각할 수 있는 모든 오류를 수정할 수는 없다. 양자 오류수정에 대한 궁극적인 시험은 큐비트 수와 케이트 수에 어떤 명백한 한계도(비용은 제외하고) 나타내지 않는 양자 컴퓨터, 즉 '확장가능한' 양자 컴퓨터의 시연일 것이다. 그런 확장가능성에 대한 근본적인 장애물들은 알려져 있지 않기 때문에, 그것을 이루어내지 못하면 새로운 물리학이 드러날 것이라는 점이 암시된다.
물리적인 큐비트 조작에 요구되는 정확도는 얼마인가?
큐비트 상태들의 초기화, 제어, 그리고 측정에 요구되는 정확도는 지배적인 오류 유형들(그것에 관해서는 고전 계산에서보다 더 많다), 큐비트들을 제공하는 물리적 매체의 제약조건들, 그리고 선택된 오류수정 전략들과 같은 수많은 요소들에 의존한다. 모든 완전한 오류수정 전략은 추가적으로 많은 큐비트와 게이트를 필요로 한다. 정확히 얼마나 많은지는 기본적인 물리적 조작들의 정확도에 의존하고, 정확도가 한계를 향해 감소함에 따라 요구되는 수는 무한정 증가한다. 이 한계는 상황에 따라 다르지만, 그럼에도 실제적인 확장가능성을 위해서는 양자 게이트의 적용으로 도입되는 오류 확률이 0.0001보다 적어야 한다는 합의가 있다.(오류 확률은 양자 과정의 비정확도를 수량화하는 약간 느슨한 방식이다.) 큐비트 상태 초기화와 측정을 위한 요구사항들은 더 느슨한데, 나는 이 경우에 0.01 미만의 오류 확률이 합당한 목표값이라고 제안했다. 모든 기본적인 물리적 조작에 대한 오류 확률이 수 퍼센트만큼 높을 때 확장가능성이 가능하다고 하는 지표들이 있었다. 이것이 실제적인지는 여전히 두고봐야 한다.
충분히 정확한 양자 게이트들이 시연되었는가?
그렇지 않다. 그리고 그것은 아직 해결되지 않은 주요한 도전들 가운데 하나이다.
그런 정확한 게이트들이 없는 상태에서 무엇을 할 수 있는가?
몇 개의 큐비트로 이루어진 흥미로운 양자 상태들은 벌써 준비되었다. 비슷하게, 소규모의 양자 계산 단계들의 거동이나 오류수정 규약을 실행하고 특징짓는 실험들은 수행되었다. 긴 계산에 사용하기에는 정확도가 불충분할지라도 그런 실험들은 유용하다. 서로 다른 유형들의 초전도성을 설명하기 위해 제안되었던 모형들과 같은 양자 모형들을 모의실험하고 측정하는 데 적당한 양질의 많은 큐비트들을 사용하자는 방안이 제안되었고, 실험 작업이 수행중에 있다.
오늘날 양자 계산을 위해 얼마나 많은 큐비트들이 사용될 수 있는가?
실험들은 여덟 개의 갇힌 이온 큐비트까지 양자 계산에 유용한 양자 상태들과 과정들을 시연했다. 그렇지만 현존하는 실험 계들은 기껏해야 초기 '양자 레지스터'로 여겨지는데, 이용할 수 있는 큐비트들의 수가 고정되어 있고 적기 때문이다. 현재, 어떤 장치를 언제 1-큐비트, 2-큐비트, 또는 n-큐비트 레지스터라고 부를 수 있는지에 대한 일반적으로 수용된 기준은 없다. 내가 생각하기에, 다음과 같은 것들이 그런 양자 레지스터에 대한 요구사항들이다. 그것의 하드웨어를 수동으로 재조정하지 않는 채 임의의 계산을 수행하는 데 그것을 사용할 수 있다. 더 작은 레지스터보다 양자 특징들을 더 잘 활용하도록 계산은 충분히 정확해야 한다. 그리고 레지스터는, 더 많은 수의 큐비트로 확장하고 궁극적으로 확장가능성 문턱을 돌파하는 명백히 실제적인 방식이 있는 계에서 실현되어야 한다. 그런 요구사항들은 염두에 두면, 1-큐비트 레지스터들은 시연되었으며, 2-큐비트 레지스터들은 바로 가까이 와 있다.
양자 계산을 위한 선도적인 기술들은 무엇인가?
핵자기공명(분자의 핵 스핀과 관련된 큐비트)과 광학(광자에 의해 전달되는 큐비트)를 포함한 많은 실험들이 수행되었다. 그것들의 현재 형식으로는, 이 두 기술은 약 십 큐비트의 실제적인 확장가능성 한계에 가까이 와 있다. 확장가능성에 대한 실제적인 길이 알려져 있는 기술들 가운데서, 현재는 갇힌 이온들에 의해 전달되는 큐비트들을 포함하는 기술이 가장 선진적이고 수십 개의 큐비트를 갖는 최초의 양자 레지스트들을 실현할 것이다. 초전도성 회로에서 큐비트 배치들은 많은 전자들의 집단적 거동을 포함하기 때문에 그 기술이 그렇게 빨리 진전되어 현재 두 번째 기술로 간주될 수 있다는 사실에 나는 놀랐다. 여러 다른 접근방식들이 추구되고 있으며 대기하고 있다. 다수의 갇힌 원자들 또는 분자들이 곧 특별히 고안된 양자 모의실험에 사용될지도 모른다.
장기적으로는 어느 것이 최선일 것인가?
나는 우리가 궁극적으로 유효 게이트 속도가 고전 게이트의 그것에 접근하는 큐비트들을 사용할 수 있을 것이라고 희망한다. 이상적으로, 모든 계산은 고전적으로 계산하게 하는 데 필요한 자원에 다른 자원이 거의 추가되지 않는 채 양자 특징들을 활용할 수 있는 기본 장치들에 기반을 둘 것이다. 이런 이상을 이루는 데 필요한 기술들은 알려져 있지 않다.
양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터의 성능을 능가할 것인가?
많은 전문가들은 양자 컴퓨터가 언제 생산적으로 사용되기 시작할 것인지에 관한 예측을 하는 데 망설인다. 나는 생전에 내가 양자 장치로 흥미로운 계산들을 수행할 수 있을 것이라고 낙관하지만, 도중에 우리가 뜻밖의 장애물들을 만날지라도 실망하지 않을 것이다.
번역: 김효진