[과학칼럼] 신세기 패러다임, 양자정보처리
/ 김형국 부산대 나노과학기술대학장

17세기 후반 뉴튼이 고전물리학을 정립한 이후, 수 세기 동안 과학자들은 세상의 모든 현상을 뉴튼의 이론으로 설명할 수 있다고 믿었다.

특히 우주의 모든 사물에 대한 정보를 알 수 있다면 우주의 운명을 뉴튼의 이론을 이용해 계산할 수 있을 것으로 생각하였으며, 이러한 믿음은 우주의 운명이 태초부터 결정되어져 있다고 생각하는 결정론적인 세계관을 형성하는데 크게 영향을 미쳤다.

하지만 이러한 믿음은 20세기 초반 양자역학의 등장으로 틀렸음이 밝혀졌다. 양자역학에 따르면 미시적인 세계에서는 불확정성이 필연적으로 존재하며 따라서 물질의 행동 양식을 정확하게 예측하는 것은 근본적으로 불가능하며 오직 확률적으로만 알 수 있다는 것이 밝혀졌다.

이러한 불확정성 이론은 결정론적인 세계관에 비추어 볼 때 너무나 비상식적으로 보였기 때문에 당대의 많은 물리학자들이 쉽게 받아 들일 수 없었다. 이로 인하여 많은 물리학자들이 양자역학의 타당성 여부를 놓고 수 십 년간의 갑론을박을 하게 된다.

특히 아인슈타인은 양자론을 반박하는데 앞장섰으며, 이러한 불확정성 이론에 대해 "신은 주사위를 던지지 않는다"라는 명언을 통해 양자역학을 강력하게 부인하지만 아이러니하게도 그의 반박은 오히려 양자역학의 발전에 지대한 공언을 하게 된다.

아인슈타인은 EPR 패러독스라는 가상의 실험을 통해 양자역학이 틀렸다는 내용의 논문을 발표하는데, 그가 제안한 가상의 실험이 20세기 후반에 실제 실험을 통해 재현되면서 양자역학이 옳다는 것을 증명하는데 지대한 공헌을 하게 된다. 뿐만 아니라 그의 가상 실험 이론은 현재 사용되고 있는 컴퓨터 및 통신기술을 획기적으로 보완 발전시킬 수 있는 '양자정보 처리 기술'이라는 새로운 세기의 IT 기술을 개발할 수 있는 이론적 배경을 제공하게 된다.

현재 우리가 사용하고 있는 컴퓨터는 정보를 1과 0의 상태로 바꾼 후 이를 저장하거나 연산처리 하는 방식을 통하여 작동하며, 이러한 1과 0의 상태를 비트라 한다. 만약에 우리가 '1 더하기 1'을 컴퓨터를 이용하여 계산하고자 한다면 하나의 비트에 1을 써넣고 또 다른 비트에 1을 써넣은 후 두 개의 비트를 연산처리 과정을 통해 더하여서 2라는 결과를 도출하여야 한다. 만약에 '0 더하기 0', '1 더하기 0', '0 더하기 1', '1 더하기 1'이라는 연산을 하기 위해서는 4번의 연산처리 과정을 거쳐야한다.

양자역학을 이용하면 상식에 어긋나는 비트를 만들 수 있다. 즉 하나의 비트에 1과 0이 동시에 존재하는 비트를 만들 수 있으며, 이러한 비트를 양자비트라고 한다. 양자비트를 이용하면 하나의 비트에 1과 0이 동시에 존재하므로 앞서 언급한 연산과정을 단 한 번에 해낼 수 있다. 따라서 현재 사용하고 있는 비트를 사용하는 것보다 훨씬 효율적으로 계산을 할 수 있다. 비트의 수가 늘어나면 효율성은 기하급수적으로 증가하며, 이러한 양자비트를 이용하여 양자컴퓨터를 개발하면 현존하는 컴퓨터를 이용하여 수 백년 걸리는 계산을 단지 몇 분 안에 해낼 수 있다고 한다. 뿐만 아니라 양자비트상태를 통신에 이용하면 도청이 원천적으로 불가능한 통신 시스템을 개발할 수 있다고 알려져 있다. 따라서 현재와 같이 인터넷을 통하여 정보를 전송하려할 때 불안감을 느끼지 않아도 되는 이상적인 통신의 구현이 가능하다.

이러한 양자비트 및 양자통신은 현재 활발하게 연구되고 있으며, 두 가지 기술을 합하여 양자정보처리 기술이라 부르고 있다. 컴퓨터와 인터넷의 발견은 인간의 생활에 획기적으로 영향을 미친 과학적 발견 중의 하나로 평가된다. 현재 개발되고 있는 양자정보처리 기술은 또 한번 우리의 생활을 획기적으로 바꾸어 놓을 것으로 기대 된다.
/ 입력시간: 2008. 06.27. 10:56