[특별강연]KAIST 김갑진 교수

한국인공지능협회·전남대 공과대 ‘AISP-CAIO’
양자 중첩·관측 붕괴로 여는‘퀀텀 시대’의 서막
통신·센싱·컴퓨팅혁명으로 기술주권 확보 시급20세기 초, 세상을 지배하던 고전 물리학은 “모든 현상은 예측 가능하다”는 확신 위에 서 있었다. 뉴턴의 운동 법칙과 맥스웰의 전자기학은 완벽한 결정론의 체계였다. 그러나 인간이 원자의 세계로 들어서자 이 질서가 균열을 일으켰다. 미시세계에서는 기존 법칙이 통하지 않았다. 확률과 불확실성이 세상을 지배하기 시작했다.

이 새로운 세계의 문을 연 것이 바로 ‘양자역학(Quantum Mechanics)’이다.

22일 전남대학교 공과대학과 (사)한국인공지능협회가 공동 주최한 ‘AISPCAIO 초청 특강’에서 KAIST 김갑진 물리학과 교수가 ‘퀀텀의 시대, 양자기술 이해하기’를 주제로 펼치며, 고전 물리가 구축한 결정론적 벽을 허문 양자 과학의 본질을 풀어냈다.

▒ 입자이자 파동인 세계…“1과 2 사이가 사라진다”김 교수는 “양자역학의 핵심은 모든 물질이 입자이면서 동시에 파동이라는 이중성에 있다”며 “고전 물리의 연속적 세계관이 해체되고, ‘1 다음은 2이며 그 사이엔 아무것도 없다’는 불연속적 세계가 열린다”고 설명했다.

양자 세계에서 말하는 ‘파동’은 바람이나 물결 같은 물리적 파동이 아니다. 그것은 입자가 존재할 확률의 파동이다. 이 확률파가 겹쳐지는 현상이 ‘중첩(Superposition)’이며, 이를 구현하는 정보 단위가 큐비트(Quantum bit)다. 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있어, 기존 이진 논리를 초월한다.

그러나 이 중첩 상태는 관측하는 순간 무너진다.

김 교수는 “양자역학의 가장 신비로운 성질이 ‘관측시 붕괴’”라며 “관측 이전엔 두 상태가 공존하지만, 관측하는 순간 단 하나로 수렴된다”고 말했다. 이를 실험적으로 구현하려면 입자의 크기를 원자 수준으로 줄이고, 온도를 절대 영도(–273℃) 부근으로 낮추며, 파동의 위상을 정밀히 일치시켜야 한다.

▒ 불확실성을 동력으로 바꾼 기술혁명양자역학의 불확실성과 중첩 원리는 새로운 동력이 되었다. 김 교수는 이를 통신·센싱·컴퓨팅의 세 축으로 설명했다.

먼저 양자 통신은 ‘관측 즉시 상태 붕괴’ 성질을 이용해 도청 불가능한 완전보안 통신을 가능케 한다. 누군가 정보를 엿보려는 순간 신호가 스스로 변형되어 무력화되기 때문이다.



양자 센싱은 원자를 파동으로 간주해 민감도를 극한으로 끌어올린다. 특히 ‘양자 내비게이션(Quantum Navigation)’은 GPS 없이도 원자 간섭계를 활용해 정밀한 위치를 파악하고, 심지어 지하 암반 구조나 수중 환경까지 탐지할 수 있다.

가장 혁신적인 분야는 단연 양자 컴퓨팅이다. 큐비트의 중첩 상태 덕분에 고전 컴퓨터가 순차적으로 수행하는 계산을 병렬적으로 처리할 수 있다.

김 교수는 “양자 컴퓨터는 인류의 지속 가능한 발전을 이끌 결정적 전기(轉機)”라며 세 가지 응용을 제시했다.

첫째, 쇼어(Shor) 알고리즘을 활용해 현재 모든 공개키 암호의 근간이 되는 대수적 문제를 단시간에 풀 수 있다. “현존 암호 체계를 무력화하려면 약 천만 개의 논리 큐비트가 필요하다”고 그는 전망했다.

둘째, 카페인 분자(20여 개 원자)의 화학 반응 시뮬레이션처럼 고전적 연산으로는 불가능한 계산을 수행해 신약 및 신소재 개발에 혁신을 일으킨다.

셋째, 출장지 20곳을 도는 최적 경로 계산처럼 복잡한 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있다.

▒ 상용화의 난관과 인류의 미래양자 기술은 더 이상 이론이 아닌, 장치로 구현되는 실용 기술의 단계에 들어섰다. 현재 전 세계 양자컴퓨터 경쟁은 초전도체 방식(Google, IBM Q), 이온 포획 방식(IONQ), 중성 원자 방식(QuEra) 세 계열로 전개되고 있다.

가장 큰 난관은 ‘확장성과 오류 제어’다. 초전도체 큐비트의 결맞음 시간은 100만 분의 1초에 불과하다. 김 교수는 “양자 상태를 붕괴시키지 않고 오류를 보정하는 양자 오류정정(Quantum Error Correction) 기술이 상용화의 관건”이라고 강조했다.

나아가 김 교수는 인류가 직면한 거대 난제를 해결할 기술로 전망했다. 양자 컴퓨팅의 강력한 연산 능력은 복잡한 기후 변화 모델을 정밀하게 분석하고, 질소 고정 등 화학 반응을 시뮬레이션하여 식량 위기 해결에 기여할 효율적인 비료 개발을 앞당길 수 있다고 밝히며, 양자 기술이 유엔(UN)의 지속가능발전목표(SDGs)를 달성하고 인류의 지속 가능한 발전을 이끄는 핵심 동력이 될 것으로 기대했다.

▒ 100주년의 노벨상, ‘양자 공학’을 공인올해 노벨상을 수상한 존 클라크, 미셸 드보레, 존 마티니스는 초전도체 회로와 같은 ‘거시적 시스템’에서도 양자 터널링과 에너지 양자화가 일어남을 실험으로 증명했다. 양자역학이 지난 100년 동안 세상의 본질을 새로 규정했다면, 인공지능은 그 위에 지성의 구조를 새로 쓰고 있다. 하나는 ‘존재를 이해하는 이론’으로서, 또 하나는 ‘이해를 구현하는 기술’로서, 두 거대한 흐름은 이제 서로를 향해 수렴하고 있다.