고전컴퓨터에서 정보의 기본 단위는 비트bit입니다. 0과 1로 구분해서 한 가지 상태만 표현한다는 전제하에 정보 처리가 이뤄지죠. 양자컴퓨터에는 양자 비트quantum bit 또는 큐비트qubit라 불리는 정보 단위가 있는데, 큐비트는 고전 비트와 구별되는 두 가지 특징이 있습니다.
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우리는 고전물리학이 지배하는 세계에 익숙한 만큼 중첩과 얽힘 현상을 직관적으로 이해하기가 매우 힘듭니다. 하지만 일단 양자 현상을 자연법칙으로 받아들이면, 정보 처리 기술과 관련해 굉장히 큰 가능성이 열립니다. 그중 가장 핵심적인 기술이 병렬 처리parallel processing인데, 중첩과 얽힘을 이용하면 엄청난 경우의 수를 동시에 고려할 수 있습니다. 세 개의 비트로 이뤄진 레지스터register를 예로 들면, 고전적으로는 어느 한순간에 000부터 111까지 여덟 가지 상태 중에 한 가지만 존재할 수 있습니다. 하지만 양자컴퓨터에서는 큐비트가 세 개 있으면 여덟 가지 경우의 수를 동시에 표현하고 저장하고 처리할 수 있죠.
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이제 앨리스는 자신에게 남은 고전 비트 두 개를 전화나 이메일 같은 고전적인 경로로 밥에게 보냅니다(그림 2-3B). 고전 비트에 담긴 상태 정보는 밥의 큐비트와 얽힌 상태로 벨 측정을 받은 후 양자 중첩이 붕괴되어 결정된 값이기 때문에, 밥의 큐비트가 가진 상태 정보와 상관관계가 있습니다. 또한 밥은 찰리가 원래 갖고 있던 큐비트의 양자 중첩 상태를 재현할 수 있는 지침도 지니고 있죠. 밥은 이 지침에 따라 고전 비트 두 개를 이용해 찰리가 갖고 있던 큐비트를 재현해냅니다(그림 2-3C). 이렇게 서울에 있던 찰리의 큐비트가 부산에 나타납니다. 이렇듯, 완전히 비공개 상태의 정보도 원격전송이 가능합니다. 이런 현상은 우리에게 익숙한 고전물리학으로는 설명이 불가하지만, 양자역학의 세계에서는 가능합니다. 얽힘을 통한 원격전송, 양자역학의 초능력 같은 것이죠.
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지금까지 설명한 것처럼 양자 인터넷을 실현하기 위해서는 기술적으로 여러 요소가 뒷받침되어야 합니다. 그중 가장 많이 발전한 부분은 양자 인터페이스라고 할 수 있습니다. 네트워크의 기본이 되는 양자 메모리를 구현하고, 광자를 통해 큐비트 정보를 안정적으로 전달하며, 광자의 파장을 장거리 통신에 적합한 상태로 변환하는 기술 모두 실험적으로 입증됐죠. 하지만 양자 메모리를 떠난 광자가 손실 없이 멀리 이동할 수 있게끔 지원하는 광학 장치 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 복잡한 통신망에서 정보의 흐름을 효율적으로 분배하고 관리하는 기술 또한 앞으로 개발해야 할 필수 요소죠.
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중첩 현상 덕분에 큐비트를 활용하면 방대한 연산 공간을 얻을 수 있습니다. 큐비트 수가 증가하면 그에 따라 양자컴퓨터의 연산 공간도 지수적으로 늘어납니다. 예를 들어, 큐비트 10개로는 210(1,024)개 조합을, 큐비트 50개로는 250(약 1.13경)개 조합을 동시에 고려할 수 있죠. 그리고 큐비트 300개로는 우주 전체에 존재하는 원자 수보다 많은 2300개 조합을 동시에 처리할 수 있습니다. 고전컴퓨터로도 비트 N개로 2N개 조합을 만들 수 있지만, 한 번에 처리할 수 있는 연산은 단 하나뿐입니다. 그래서 고전컴퓨터에서는 비트 수에 비례하여 연산 공간이 선형적으로 증가한다고 표현합니다. 2N개 조합을 차례대로 처리하는 게 아니라 동시에 처리한다는 점이 고전컴퓨터와 다른 양자컴퓨터의 강점입니다.
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사실 작동 주파수가 외부 변화에 민감하다는 특징은 초전도 큐비트의 장점이자 단점입니다. 큐비트 간의 얽힘을 구현하고 상호작용을 제어하는 데는 유리하게 작용하지만, 외부 자기장이나 전기적 잡음에 의해 원치 않는 주파수 변화가 일어날 위험도 내포하고 있기 때문이죠. 구글과 IBM은 주파수 조정으로 큐비트 간 얽힘을 구현하는 전략을 취하고 있습니다. IBM은 과거에는 주파수 조정 없이 얽힘을 구현하는 교차공명cross-resonance 방식을 꾸준히 활용했는데, 1~2년 전부터는 하드웨어 구조를 조금씩 바꾸면서 구글과 마찬가지로 주파수를 조정하는 쪽으로 전환하고 있습니다.
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한국은 특히 양자 제조 분야에서 잠재력이 큽니다. 양자 하드웨어를 만들기 위해서는 기존의 반도체 기술이 필요한데, 한국은 세계 최고 수준의 반도체 제조 기술을 갖추었기 때문입니다. 활용할 수 있는 제조 인프라가 많다는 것은 분명히 큰 이점이죠. 다만 반도체 산업이 지나치게 성숙한 상태라, 아직 초기 단계인 양자 산업계는 오히려 아쉬운 입장입니다. 예를 들어, 양자 소자 제조에는 보통 2~4인치 소형 웨이퍼가 필요한데, 이는 집적도가 낮았던 과거 반도체 공정에서 사용하던 규격입니다. 국내 반도체 공정은 대부분 8인치 이상의 대형 웨이퍼에 맞춰져 있어서, 2~4인치 웨이퍼를 다룰 수 있는 제조 시설은 현재 찾아보기 힘듭니다.
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양자물리학은 통신 보안과 ‘병 주고 약 주는’ 관계입니다. 우선 ‘병을 주는’ 이유는 양자컴퓨터가 기존 암호 체계를 무력하게 만들 수 있기 때문입니다. 현재 인터넷이나 금융 거래 등에 쓰이는 암호 체계는 매우 큰 자연수를 소인수분해하기가 어렵다는 사실을 기반으로 합니다. 그러나 어렵다는 것은 상대적인 개념입니다. 같은 수학 문제라도 연산 도구와 방식에 따라 난이도는 달라질 수 있죠. 1994년 피터 쇼어는 양자 알고리듬을 활용하면 고전컴퓨터가 현실적인 시간 안에 풀 수 없는 소인수분해 문제를 빨리 해결할 수 있음을 이론적으로 증명했습니다. 이를 계기로, 양자컴퓨터의 공격에도 견딜 수 있는 이른바 양자 내성 암호 혹은 PQCpost-quantum cryptography를 개발하려는 움직임이 본격화되었습니다.