10분 만에 배우는 양자 컴퓨터

양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터에 보다 강력한 성능을 더한 것이 아니라, 현재 주목받고 있는 과학적 지식에 기초한 완전히 다른 차원의 기술로서 불확실한 개념을 넘어서고 있습니다. TED Fellow 쇼히니 고스(Shohini Ghose)와 함께 신비한 양자의 세계로 들어와, 의학계를 변화시키고, 해독할 수 없는 암호체계와 정보의 순간이동을 가능하게 할 이 기술의 잠재력에 대해 알아봅니다.

게임을 하나 해보죠.

라스베가스의 카지노에
있다고 상상해보세요.

컴퓨터를 상대로
게임을 해 보기로 합니다.

혼자서 카드나 체스를 할 때처럼요.

컴퓨터도 사람처럼 수를 쓰며
게임을 하잖아요.

이제 동전 뒤집 게임을 할 건데요.

동전의 앞면이 나오고

컴퓨터가 먼저 시작합니다.

동전을 뒤집을지 말지 선택할 수 있고

여러분은 결과를 알 수 없죠.

이제 여러분 차례에요.

여러분도 동전을 뒤집을지 말지
선택할 수 있고

이 결과 또한
상대방인 컴퓨터는 알지 못하죠.

마지막으로, 컴퓨터가 한 번 더
뒤집을지 말지 선택하고

이렇게 세 판이 끝나면

동전을 확인합니다.

앞면이면 컴퓨터가 이긴 거고

뒷면이면 여러분이 이긴 거예요.

꽤 간단하죠.

아무도 속임수를 쓰지 않고,
동전에도 이상이 없다면

여러분이 이길 확률은 반이죠.

이를 확인해보려고

학생들에게 저희 컴퓨터를 가지고
그 게임을 해보라고 했어요.

수없이 반복해 본 결과

승률이 50%로 나왔어요.
아니 50% 가깝게요.

예상대로였죠.

재미없는 게임 같죠?

하지만 상대가
양자컴퓨터라면 어떨까요?

현재 라스베가스 카지노에는
양자컴퓨터가 없는데,

제가 알기론요.

하지만 IBM에서 실제 작동하는
양자컴퓨터를 만들었어요.

바로 이거죠.

그런데 양자컴퓨터가 뭘까요?

양자물리학이 설명해 주는 건

원자와 기초입자들의 움직임이죠.

전자나 광자 같은 것들이요.

즉, 양자컴퓨터는

이런 입자들의 움직임을
조절하며 작동하는데

기존의 컴퓨터와는
완전히 차원이 다르죠.

그러니까, 양자컴퓨터는

기존 컴퓨터에 그저 뛰어난
성능만 더해진 것이 아닙니다.

아무리 밝은 양초라고 해서
전구와 같은 수 없는 것처럼요.

양초를 계속 개발한다고
전구가 되진 않잖아요.

전구는 전혀 다른 기술이고

훨씬 더 깊은 과학적 이해가
바탕이 됩니다.

마찬가지로 양자컴퓨터는
새로운 종류의 기기입니다.

양자물리학에 그 기반을 두고 있죠.

전구가 세상을 변화시킨 것처럼

양자컴퓨터 또한
우리 삶의 많은 부분을

변화시킬 잠재력이 있죠.

안전과 건강, 심지어 인터넷까지요.

전 세계의 기업들이
그 개발을 위해 애쓰고 있는데

그들이 열광하는 이유를
알아보기 위해

양자컴퓨터와 게임을 해보겠습니다.

바로 이 자리에서 IBM의
양자컴퓨터에 접속해서

원격으로 게임이 가능합니다.

여러분도 할 수 있어요.

TED에서 미리 보낸
이메일 하나를 기억하실텐데요.

동전을 뒤집을지 말지
선택하라는 거였죠.

이 게임에 참여한다면 말이죠.

사실, 원과 사각형 중
하나를 고르라고 했죠.

모르셨겠지만,
원은 "동전을 뒤집는다"이고

사각형은 "안 뒤집는다"로
정해 뒀어요.

답장이 372개 왔습니다.

감사드려요.

덕분에 양자컴퓨터를 상대로
게임을 372번 할 수 있었죠.

여러분의 선택을 적용해서요.

꽤 간단한 게임이라

바로 결과를 보여드릴게요.

안타깝게도,
결과가 별로 좋지 않네요.

(웃음)

양자컴퓨터가 거의 다 이겼거든요.

작동오류로 몇 판 내줬을 뿐이죠.

(웃음)

어떻게 이런 연승이 가능했을까요?

마술 아니면 속임수 같지만

사실 양자물리학으로 간단히 설명됩니다.

어떤 원리인지 보시죠.

일반 컴퓨터는 동전의 양면을
비트로 인식합니다.

0 아니면 1 이죠.

컴퓨터 칩 안의 전류를
켰다 껐다 하는 식입니다.

양자컴퓨터는 완전히 다릅니다.

양자비트는 훨씬 유동적이고
이진법이 적용되지 않죠.

'중첩'으로 0 과 1의 값을
동시에 가질 수 있어요.

0과 1의 확률이 공존한다는 거죠.

다시 말해,
그 정체를 알 수 없습니다.

예를 들면, 0일 확률이 70%고

1일 확률이 30%거나

8 대 2 또는 6 대 4 등

그 조합엔 끝이 없죠.

여기서 핵심은

0과 1의 정확한 값은 포기하고

약간의 불확실성을
감안해야 하는 것입니다.

게임을 하면서

양자컴퓨터는 동전의 앞과 뒤의
유동적 조합을 만듭니다.

0과 1이죠.

따라서 상대가 뭘 선택하든,

동전을 뒤집든 말든

이 중첩은 그대로 유지됩니다.

마치 두 종류의 액체를
섞어 젓는 것과 같은데요.

젓든 젓지 않든
액체는 섞인 채로 있으니까요.

마지막 차례에서

양자컴퓨터는 0과 1을 분리하고

완전하게 앞면을 재생해
여러분은 매번 지게 됩니다.

(웃음)

좀 희한하다고 생각하셔도
지극히 정상입니다.

일반 동전은 앞과 뒤를
동시에 볼 수 없잖아요.

우리는 유동적인 양자의 세계를

일상에선 경험하지 못합니다.

전혀 감이 안 잡혀도

곧 알게 될테니, 걱정도 마세요.

(웃음)

'양자 기묘도'를 경험하지 않더라도

그 효과를 실제로 볼 수는 있어요.

방금 그 데이터를 직접 보셨잖아요.

양자컴퓨터가 이겼던 건

중첩과 불확정성을 이용한 덕분입니다.

이 강력한 양자의 특성을 이용하면

동전게임을 이길 뿐만 아니라

미래의 양자 기술도 구축할 수 있죠.

이 말씀드릴
양자의 세 가지 잠재적 응용은

우리 삶을 바꿀 수도 있습니다.

첫째, 양자 불확정성은
메시지 전송을 암호화하는

개인 암호키를 만드는 데
사용할 수 있습니다.

해커들이 이를 완벽하게
복제할 수 없는 건

양자의 불확정성 덕분입니다.

양자물리학의 법칙을 깨뜨려야

그 암호키를 따낼 수 있죠.

이 강력한 암호 체계는

은행 등 전 세계 여러 기관에서
이미 시험 운영되고 있습니다.

오늘날 170억 대 이상의 컴퓨터가
전 세계에 걸쳐 서로 연결돼 있죠.

양자 암호체계가 미래에 끼칠
영향을 상상해보세요.

둘째, 양자기술은 보건의료도
변화시킬 수 있습니다.

예를 들어, 신약개발 과정에서
분자의 설계와 분석은

여전히 어려운 문제입니다.

왜냐면 분자 내 모든 원자들의

양자적 특성을 모두 정확하게
기술하고 계산하는 건

슈퍼컴퓨터로도
아주 까다롭기 때문이죠.

하지만 양자컴퓨터는
보다 쉽게 처리할 수 있습니다.

양자컴퓨터에 이용되는
양자의 특성이

모방하려는 분자들과
동일하기 때문입니다.

따라서 미래의 신약 개발을 위한
대규모 양자 시뮬레이션을 통해

알츠하이머 같은 병도 치료하며

수천 명의 삶에 영향을 줄 수 있죠.

셋째, 제가 가장 좋아하는
양자 응용분야인데요.

한 곳에서 다른 곳으로
정보를 순간이동시키는 거죠.

물리적인 전송이 아닙니다.

공상과학 같지만 가능해요.

유동성을 가진 양자 입자는

시공간을 넘나들 수 있으니까요.

하나의 입자에 변화를 주면
다른 입자들도 영향을 받는 식으로

순간이동 통로를 만들죠.

이미 여러 연구기관에서 입증했고

향후 양자 인터넷을
실현할 수도 있습니다.

이런 네트워크는
아직 존재하지 않지만

저희 팀이 그 가능성을
연구하고 있어요.

양자컴퓨터에서 양자네트워크를
시험 가동해 보면서요.

그래서 몇 가지 흥미로운
통신체계를 설계해 구현해 봤죠.

네트워크 사용자 간
정보의 순간이동,

보다 효율적인 자료 전송,

철저한 보안의 투표 체계 등이죠.

양자물리학자가 되길
정말 잘했단 생각이 들어요.

강추합니다.

(웃음)

신비한 양자 세계를
탐험할 수 있잖아요.

또 뭘 발견할지 누가 알겠어요?

신중한 접근과 책임감을 갖고

양자의 미래를 건설해야 합니다.

그리고 전 개인적으로

양자물리학을 양자컴퓨터를 만드는
도구로만 생각하진 않아요.

양자컴퓨터는
우리가 자연의 신비를 탐구하고

아직 경험해보지 못한 세상을
보여줄 도구로 생각하죠.

인류는 정말 대단하잖아요.

우주에 대한 접근은 제한적이지만

결국 지평선 너머의 많은 것들을
볼 수 있게 되었습니다.

상상력과 독창성만으로
그걸 가능케 했죠.

그리고 우주는 그에 대한 보답으로

놀라운 신비와 경이로움을
우리에게 보여주고 있습니다.

미래는 본질적으로 불확실하지만

그 점이 제겐 너무나 흥미진진합니다.

감사합니다.

(박수)