중국은 "양자기술"에서 우회추월할 수 있을까?

글: 사도자(使徒子)

 

2016년 8월 16일, 묵자호(墨子號) 양자과학실험위성이 성공적으로 발사되면서, '양자'라는 이 신비한 개념은 사람들 앞에 신비의 베일을 벗었다. 최근 들어, 양자기술은 발전이 빨라, 새로운 과학기술혁명과 산업변혁의 선두분야가 되었다. 양자과기의 발전을 가속화하는 것은 고품질의 발전을 촉진하고, 국가안전을 보장하는데 아주 중요한 작용을 한다.

 

최근 중공 최고위층은 집단으로 학습하면서 다시 한번 강조했다: "양자기술의 발전을 추진하는 것의 중대한 의의를 깊이 인식하고, 양자기술발전전략계획과 시스템정비를 강화해야 한다. 

 

왜 양자기술이 그렇게 중요한가?

 

양자기술의 중요한 의의에 대하여, 청화대학 부교장, 중국과학원 원사인 쉐치쿤(薛其坤)은 이렇게 설명한다.

 

쉐치쿤: "양자기술은 미래에 우리의 컴퓨터의 계산능력을 제고하고, 통신을 더욱 빠르게 하고, 센서기술을 더 민감하게 해줄 뿐만아니라, 정보정확도를 더욱 정확하게 해주어, 이들 분야를 크게 제고시킨다. 미래의 디지탈기술에 대하여 양자기술은 진정 혁명적인 지지작용을 하게 될 것이고, 다른 기술은 모두 점진적으로 발전할 것이다."

 

양자역학은 인류가 미시세계를 탐구하는데 있어서 중대한 성과이다. 양자기술의 발전은 중대한 과학적 의미와 전략적 가치가 있다. 이는 전통기술체계에 충격을 주고, 구조조정하는 중대한 획기적인 기술혁신이며, 새로운 단계의 과학혁명과 산업변혁방향을 이끌 것이다. 쉐치쿤은 이렇게 말한다. 양자기술은 기실 우리에게서 그다지 멀리 있지 않다고.

 

쉐치쿤: "양자기술은 아주 새로운 것이 아니다. 양자역학은 건립된지 100여년이 지났다. 양자과학의 인식과 발전은 현대의 정보기술, 컴퓨터, 통신을 가져왔고, 또한 고밀도의 정보저장, 글로벌내비게이션시스템도 모두 양자기술이 숨은 작용을 했다. 현재 얘기하는 양자컴퓨터와 양자통신은 2세대의 양자기술이다. 적극적으로 양자시스템을 설계하여 양자응용을 발전시키는 것에 치중한다. 정보시대의 도래는 실제로 양자기술과 과거에도 밀접하게 관련이 있었고, 현재 얘기하는 양자컴퓨터, 양자통신으 더욱 직접적이다."

 

양자기술의 트랙에서 중국은 어느 단계에 서 있는가?

 

당금 세계는 백년만의 대변국을 맞이하고 있다. 과학혁신은 그중 핵심 변화요소이다. 우리는 위기 속에서 기회를 키우고, 변국 중에서 신국면을 맞이하여야 한다. 반드시 과기혁신에서 해답을 찾아야 한다. 최근 들어, 중국의 과학기술자들은 양자과기에서 분투하고 있고 국제적인 영향력을 가진 중대한 혁신성과를 내고 있다.

 

쉐치쿤: "기초연구에서 많은 발전이 있었다. 양자정밀측량센서에서도 적지 않은 진전이 있었다. 예를 들어, 베이더우(北斗)에 적용한 시간측량시스템은 내비게이션에 높은 정밀도를 가져다 주었다. 이는 양자기술이 글로벌내비게이션 혹은 위성내비게이션시스템에 중요하게 응용되었다고 할 수 있다. 최근 양자위성에서 하나의 실험을 했는데, 천킬로미터급의 양자암호열쇠배분을 해냈다. 이는 금년에 막 거둔 성과이다. 기초연구이건, 통신, 양자컴퓨터이건, 정밀측량과 센서를 포함해서, 중국은 모두 괜찮은 성과를 거두고 있다."

 

전체적으로 보면, 중국은 이미 양자기술영역에서 과학기술력과 혁신능력을 갖추고 이다. 동시에 보아야 할 것은 중국의 양자기술발전에는 적지 않은 약점도 있다는 것이다. 발전은 여러가지 도전을 받고 있다.

 

쉐치쿤: "실제로 양자기술에서 우리의 약점은 우리가 현재 정보기술에서의 약점과 약간 유사하다. 예를 들어, 지원설비, 핵심부품등 분야에서 그리고 양자기술에 관련되는 일부문제가 있다. 그래서 내 생각에 관건핵심부품같은 하이테크기술재료, 설비를 강화하는 것이, 일부 약점을 해결하는데 필요하다."

 

기초연구에서의 돌파구도 마련해야 하고, 성과를 효과적으로 응용하는 것도 가속화해야 한다.

 

양자기술의 발전은 기초이론연구의 돌파에 기초를 둔다. 획기적인 기술의 형성은 후적박발(厚積薄發)의 과정이다. 시진핑 총서기가 학습을 주재할 때 발표한 강화에서 이렇게 강조했다. 기초연구돌파를 가속화하고 관건핵심기술의 난관을 돌파해야 한다. 어려움을 겁내지 말고, 과학의 고지에 용감하게 올라가야 한다. 양자과학분야에서 다시 높은 수준의 오리지날성과를 내야 한다. 쉐치쿤은 그 말에 느낀 바가 많았다고 말한다.

 

쉐치쿤: "양자기술은 일부 단기간내에 경제와 사회의 발전을 얻을 수 있는 것이 있다. 다만 많은 것은 기초연구분야에 속한다. 예를 들어 양자컴퓨터는 현재 국제적으로 내놓은 기술방안이 7,8종이다. 여전히 기초연구와 탐색이 필요하다. 이는 우리가 왜 국제협력을 강화하고, 인재배양을 강화하고, 비축인재를 배양해야 하는지를 말해준다. 왜냐하면 기초층면의 과학적 돌파가 마지막에 양자컴퓨터의 발전을 타당성있고 공정화가능한 단계로 끌어올려주기 때문이다."

 

다만, 명확한 응용목표가 없는 많은 기초연구 혹은 과학탐색과 다른 점이라면, 양자정보기술을 포함한 양자기술은 더욱 명확한 응용의 전망이 있다는 것이다. 쉐치쿤은 말한다. 양자과학이론연구성과를 실용화하고, 공정화하는 속도와 효율도 매우 중요하다. 그 응용전망은 비교적 명확하다. 그래서 막 시작했을 때 산학협동을 고려해야 하고, 기초연구에서 응용까지의 밀접한 결합을 고려해야 한다. 그래야 효율을 올리고 연구개발속도를 가속화할 수 있다.

 

양자기술은 유명하지만 이해하기 어렵다. 사실상 양자역학은 반도체, 컴퓨터, 의료, 핵에너지등 일상과학기술과 모두 관련이 있다. 심지어 우리가 지구상에 생존하는 기초라고도 할 수 있다.

 

양자기술은 무엇인가?

 

간단하게 말해서, 양자기술(quantum technology)은 양자역학(양자물리학)을 기초로 하는 기술이다. 양자과학은 마이크로세계의 과학을 연구하고, 우주의 가장 작은 물질을 기술하는 것이다. 

 

마이크로세계?

 

이는 우리의 육안으로 보이지 않지만 만물에 있는 세계이다. 손을 보라. 계속 확대하면, 모발을 넘어, 세포를 넘어, 다시 분자, 원자, 그리고 원자를 구성하는 원자구성입자 즉 양성자, 중성자, 전자, 중간자, 쿼크등등이 있다. 세상의 어떤 물질이건 돌맹이이건 물방울이건 아니면 공기이건 확대해보면 마지막에는 다 이렇게 된다.

 

양자역학은 바로 양성자, 중성자, 전자등 원자구성입자층면의 물리학이다. 그들이 어떻게 움직이는지를 연구하는 것이다.

 

양자역학은 왜 어려운가?

 

왜냐하면 마이크로세계의 사물의 운동은 왕왕 우리의 일상생활에서는 전혀 생각할 수 없는 것이기 때문이고, '논리에 맞지 않기' 때문이다. 그러나 마이크로세게는 확실히 그러하다.

 

양자역학의 적지 않은 것은 모두 추상적이다. 과학자들은 평상시에 숫자로 묘사한다. 다만 우리는 비유를 통해 보다 형상화할 수는 있다. 예를 들어, "살기도 하고 죽기도 하는" "슈뢰딩거의 고양이"이다.

 

슈뢰딩거의 고양이란 무엇인가?

 

이것은 가상적인 사상실험이다. 슈뢰딩거의고양이는 외부인이 볼 수 없는 상자 안에 고양이가 있다. 상자 안에는 충분한 공기와 양식, 물이 있는데, 기관이 설치되어 있어서, 일정한 시간후 50%의 확률로 독을 배출한다.

 

그렇다면 일정한 시간이 흐른 후, 양자역학에 근거하면 그 고양이는 살아있을 수도 있고, 죽었을 수도 있는 중첩상태(superposition) 이 된다. 50%의 비율로 살아있고, 50%의 비율로 죽어 있는 것이 아니라.

 

더욱 기이한 것은 동시에 생존과 사망이 중첩되어 있는 상태를 우리는 관찰할 수 없는 것이다. 만일 상자를 열면, 그저 죽어 있거나 살아있는 고양이를 보게 될 것이다.

 

이것이 양자역학과 무슨 관계인가?

 

양자역학에서 연구하는 원자구성입자의 성질은 중첩상태이다. 동시에 여러가지 겉으로 보기에 모순된 설정이 있다. 다만 외부에서 일단 '상자를 열어' 관찰하면, 중첩상태는 무너지고, 그중의 한가지 상태만 남게된다.

 

무슨 우스개인가?

 

말했지만, 양자역학의 운행은 우리의 일상생활에서 직면하는 뉴튼물리학과 전혀 다르다. 

 

양자역학 중에서 입자는 모두 파동의 특성이 있다. 다만 구체적인 소리의 파동이나 빛의 파동과는 다르다. 입자의 파동은 수학적 추상으로 표현하게 된다. 이 성질을 "입자-파동 이중성"이라고 부른다.

 

만일 입자가 둥근 구슬이라면, 둥근구슬을 물에 던졌을 때, 물결이 바깥으로 퍼지게 될 것인데, 그 물결이 바로 파동이다.

 

한번 생각해보자. 물에 막대기를 꽂아놓았다면, 물결이 막대기에 돌하면 물결이 사라진다. 둥근구슬은 막대기에서 '변'하는 것이다.

 

그렇다, 둥근구슬의 최종위치는 입자의 위치, 운동에너지등 특성에 비유할 수 있다. 우리가 관찰(막대기를 꽂기)하기 전에 둥근구슬은 물결내의 어느 위치에 있다. 입자의 특성은 중첩상태이다. 우리가 일단 관찰하면, 중첩상태는 위축되고 금방 그 중 하나의 상태로 되어 버리는 것이다.

 

양자역학은 바로 입자특성의 무작위적인 성질을 연구하는 것이다. 이런 마이크로세계의 무작위는 일상세계의 모든 물질에 관련된다. 과학자도 무작위는 마치 우주의 기본성질중 하나인 것같다고 인식하는 것이다.

 

양자역학의 응용사례가 있는가?

 

태양발광. 태양광은 지구생물에너지의 원천이다. 태양광이 없다면 지구의 절대다수의 생물, 인간을 포함하여 살 수가 없다. 태양광의 배후에는 기실 양자역학이 있다.

 

태양은 실제로 핵융합원자로이다. 계속하여 2개의 수소원자를 결합하여 하나의 헬륨원자로 만든다. 그 과정에서 에너지를 배출한다. 일상세계에서 두 개의 원자중 양성자는 접근할 때 서로 배척하여 결합할 수 없다. 그러나 마이크로세계에서는 어떤 양성자는 양자역학원리에 따라, 성질이 다를 수 있고, 두 개의 수소원자를 순조롭게 1개의 헬륨원자로 바꿀 수 있다. 핵융합이 발생하고, 태양에너지가 발광되고 우리는 살아갈 수 있게 되는 것이다.

 

그외에 양자역학은 실리콘의 성질에 영향을 준다. 이는 반도체, 칩을 제조하는데 필수재료이다. 컴퓨터과학과 현대사회의 기초이다.

 

의료진단에 쓰는 MRI는 바로 인체수분중의 수소원자공진으로 영상을 형상하는 것인데, 배후의 특성에는 적지 않은 양자역학이 있다. 유사한 사례는 기실 아주 많다. 레이저, LED등, 이미지센서등등이다.

 

양자컴퓨터는 무엇인가?

 

전통적인 컴퓨터의 데0이타는 문자이건 목소리이건 영상이건 결국은 모두 "0"과 "1"의 bit로 구성된다. 이는 컴퓨터연산의 기초이다.

 

양자컴퓨터의 데이타의 기본단위는 qubit이다. 이는 동시에 "0"과 "1"의 중첩상태에 처할 수 있다. qubit은 동시에 서로 다른 '신분'이 될 수 있다. 그리하여, 양자컴퓨터의 연산속도는 전통컴퓨터보다 훨씬 빠르다. 전통컴퓨터로 불가능한 것을 합리적 시간내에 완성할 수 있다.

 

양자컴퓨터는 단시간내에, 전통컴퓨터이론상 여러해가 걸릴 연산을 완성할 수 있다. 이런 속도는 현존하는 암호기술을 즉시 무력화시킬 수 있다. 결국 모든 컴퓨터관련영역의 게임규칙을 바꾸게 될 것이다.

 

미중의 양자기술현황은 어떠한가?

 

글로벌 양자컴퓨터연구는 현재 실험단계이고, 아직은 응용할 단계는 아니다.

 

구글, 마이크로소프트, 인텔등 미국IT기업은 앞서가고 있다. 구글은 작년 10월에 54개 qubit의 계산시스템에서 200초만에 전통수퍼컴퓨터가 1만년이 걸려야 완성할 수 있는 일을 해내서, '양자패권'(quantum supremacy)을 실현했다고 발표한 바 있다.

 

중국은 양자컴퓨터분야에서 따라잡고 싶어한다. 2016년에 세계최초의 양자실험위성 '묵자호'를 발사했다. 중국과기대학, 청화대학등 대학은 최근 들어 양자컴퓨터분야에서 단계적인 성과를 거두었다. 바이두, 알리바바, 텐센트, 화웨이등 IT기업들도 연이어 양자컴퓨터연구계획을 내놓았다. 금년 9월, 바이두, 번위안양자(本源量子)가 선후로 자신의 최신 양자컴퓨터 클라우드플랫폼을 발표했고, 보통유저도 클라우드기술을 이용하여 양자컴퓨터을 이용할 수 있게 하겠다고 했다.