​양자 기술은 우리가 인류의 지혜를 이해하는데 도움을 준다.

양자테크놀로지는 보통 사람은 이해할수 없고, 듣기에 매우 현명하다. 시장에는 '양자 깔창', '양자 물컵', '양자 마스크팩' 등이 등장했고, 어떤 교육 기관에서는 '양자 파동 속독법'을 내놓기도 했는데, 이런 것들이 믿을 수 있을까? 심지어 어떤 사람들은 양자 테크놀로지가 당뇨병이나 암 같은 난치병을 치료할 수 있다고 주장하는데, 이런 주장은 과학적인가? 기자는 일전에 양자과학기술 방면의 저명한 전문가인 중국과학기술대학 교수, 중국과학원 원사인 판건위를 인터뷰했다.

기자: 양자과학기술의 기초는 양자역학입니다. 양자역학이 무엇인지 설명해 주시겠어요? 양자 혁명에 대한 설명으로 옳은 것은?

판젠웨이: 양자역학은 20세기초에 탄생했다. 1900년 플랑크가 양자론을 제기한 지 백여 년 동안, 수많은 물리학자들이 양자 법칙에 대한 관측을 통해 양자역학의 이론적 빌딩을 성공적으로 구축했다. 양자역학을 통하여 사람들은 미시세계의 법칙을 깊이 인식하게 되었고, 이를 바탕으로 반도체, 레이저, 원자력 에너지등 세계를 변화시키는 중대한 발명을 낳아 현대 정보기술을 탄생시켰는데, 이는 인류의 첫 번째 양자혁명이다.

고전역학과 비교할 때, 양자역학이 묘사하는 미시입자는 양자 중첩의 특성을 가지고 있다. 양자 중첩을 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘' 현상이 생긴다. 아인슈타인은 양자 얽힘에 대해 "멀리 떨어진 곳 사이의 기이한 상호작용"이라고 불렀다. 과학자들이 양자 얽힘이라는 기이한 상호작용에 대해 많은 실험을 하는 과정에서, 정교한 양자 조절 기술이 발전하여, 인간은 양자 법칙에 대한 수동적인 관측에서 양자 상태를 능동적으로 조종할수 있게 되었다. 이것은 인간의 생물학에 대한 인식과 유사하며, 멘델의 유전법칙에서 DNA 구조에 이르는 위대한 도약이다.

양자 조절과 정보 기술을 결합하여 양자 정보라는 새로운 학문이 생겨났다. 양자 정보는 양자 통신, 양자 계산, 양자 정밀 측정 등 세 방면의 응용을 포함하며, 정보 보안 확보, 연산 속도 향상, 측정 정밀도 향상등 방면에서 고전 기술의 병목 현상을 돌파할수있다. 양자정보로 대표되는 양자과학기술이 급속히 발전하여 인류는 제2의 양자혁명을 맞이하였다. 학계의 다년간의 노력으로 현재 양자보안통신과 양자레이더가 실용화 단계에 진입하였고 관련 제품도 출시되었으며 기타 양자기술은 산업화와 상업화까지 시간이 좀 더 필요하다. 시중에 나와 있는 양자 깔창, 양자 물컵, 양자 파동 판독법 등은 양자 테크놀로지와 아무런 관련이 없으며, 현재 당뇨병, 암 등 난치병 치료에도 응용되지 않고 있다.
 
기자: 양자통신이 실용화 단계에 접어들었다고 하셨는데, 자세히 소개해 주시겠습니까?

판젠웨이: 국제학계에서는 양자 키 배포와 양자 스텔스 전송을 양자 통신이라고 통칭합니다. 양자 통신에는 두 가지 가장 전형적인 응용 방식이 포함되는데, 하나는 양자 키 배포이고 다른 하나는 양자 스텔스 전송이다.

양자키 배포는 단일 광자의 양자 상태를 이용하여 정보를 불러오는것으로 일정한 프로토콜을 통해 키를 생성하는것으로 양자역학의 기본 원리가 키의 안전을 보장한다. 양자보안의 안전성은 양자역학의 기본 원리에 기초한다. 기존의 암호화 알고리즘과는 달리, 그 안전성은 계산 복잡도와 무관하며, 양자역학이 정확하다면 양자보안의 통신 원리상 무조건 안전하다.

양자 스텔스 상태전송은 양자 얽힘을 이용하여 양자 상태를 정보 운반체 자체를 전송하지 않고 한 입자에서 다른 입자로 전송하는 것이다. 형상의 비유를 하자면, 상하이는 수천, 수만 개의 원자로 구성될수있는 미시적인 객체가 있다. 만약 상하이와 베이징 사이에 많은 원자가 얽히기 시작하면 상하이 체계의 상태를 베이징으로 전달해야 하고, 상하이의 객체와 얽힌 원자에 대해 일종의 공통적인 측량을 진행할수있다. 측량을 끝낸 후, 측량결과를 무선방송국을 통해 베이징으로 보낼수 있으며, 베이징은 이 결과에 근거하여 상대방의 중입자에 상응하는 조작을 진행하면 베이징에서 상하이의 체계를 다시 만들어 낼수있다. 양자정보연구의 경우, 양자스텔스 전송은 양자정보처리단위를 연결하여 양자네트워크를 구축할수 있으며, 동시에 원거리 양자키 배포를 실현하는 중요한 부분이기도 하다.
 
기자: 요즘 양자 컴퓨터도 화두인데, 양자 컴퓨팅의 원리와 발전 추이를 소개해 주세요.

판건위: 클래식 컴퓨터의 한 비트는 0이나 1 두 가지 상태 중 하나에만 있을수있고, 두 비트는 00, 01, 10, 11 네가지 상태중 하나에만 있을수있습니다. 양자 컴퓨터의 경우, 양자 비트는 0이나 1이 아니라, 0과 1의 중첩도 가능하지만, 두 개의 양자 비트가 동시에 네가지 상태의 중첩이 될수있고, 이는 양자컴퓨터의 원리상 4개의 데이터를 동시에 계산할수 있기 때문에 양자컴퓨팅의 컴퓨팅 능력은 양자비트수에 따라 기하급수적으로 증가하며, 인공지능, 암호분석, 기상예보, 약물설계 등에 필요한 대규모 컴퓨팅 난제에 대한 해결책을 제시할수있다. 예를 들어, 대수를 빠르게 분해할수있는 양자 컴퓨터가 있는데, 대수를 분해하는 계산의 복잡도는 현재 널리 사용되고 있는 공개키 암호화 알고리즘의 보안의 기초가 되므로 양자 컴퓨터가 개발된다면 전통적인 정보 보안 체계는 큰 위협을 받게 될 것이다. 양자컴퓨터는 선형방정식도 빠르게 풀수있어 인공지능, 빅데이터 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 보인다.

양자 컴퓨팅의 발전에는 세가지 단계가 있다: 첫 번째 단계는 어떤 특수한 문제에 대해 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다 더 빨리 계산할수있는 기계를 만드는 것인데, 이것을 학계에서는 '양자 우월성'이라고 부른다. 이 목표를 달성하려면 대략 50개의 양자 비트를 조작할 수 있어야 한다.

두 번째 단계로, 우리는 수백개의 양자 비트를 조종할수있고, 전용 양자 시뮬레이터를 실현할 수 있으며, 일부 복잡한 물리 체계의 메커니즘, 예를 들면 고온 초전도등 현재의 슈퍼컴퓨터가 계산할수 없는 문제를 우리가 계산하여 실질적인 문제를 해결할수 있기를 희망한다.

세 번째 단계는 프로그래밍이 가능한 범용 양자 컴퓨터를 구현하는 것으로, 우리가 현재 사용하는 컴퓨터처럼 많은 문제를 계산할수 있다. 이 목표를 달성하기 위한 열쇠는 양자 오류 수정이다. 현재 정확히 어느 물리계통에서 구현할 것인지는 아직 정립되지 않았으며, 따라서 각종 체계가 필요하며, 빛, 초전도, 초냉각 원자, 이온, 고체, 위상 상태 등이 관련 작업을 전개한다. 프로그래밍이 가능한 범용 양자 컴퓨터를 구현하는 데는 20년 이상 걸릴 것이다.
 
우리의 양자컴퓨팅의 연구는 주로 세 가지 방향에 집중하고 있다: 첫째, 광양자컴퓨팅은 이미 48개의 양자비트에 해당하는 결과를 달성하였고, 금년에는 50개나 60개의 광자의 상관조종을 실현할수 있을것으로 기대되며, 양자 우월성에 도달할수 있을것이다. 우리의 기술 경로는 Google과 다릅니다. Google은 랜덤 회선으로 샘플을 채취합니다.

우리는 보스로 샘플을 채취합니다. 보스 샘플링의 우수성은 엄격하게 증명되어 있는데, 우리의 시스템은 현재 가장 우수한 알고리즘에 의하면 정점 컴퓨터보다 백조 배 정도 빠를수있다. 둘째, 초전도 양자 컴퓨팅 방면에서 최근 우리는 24개의 초전도 양자 비트에 도달하였습니다. 올해 말에는 60개 정도의 양자 비트의 상관 조종을 할 수 있을 것이며 양자 우월성에 도달할수 있을것입니다. 셋째, 우리는 여전히 파인만이 말한대로 물리학, 화학, 재료 등의 분야에서 중요한, 고전 컴퓨터가 해결할수 없는, 대략 수백 개의 입자 시스템을 조작해야 하는 문제를 실제로 해결할 수 있기를 희망한다. 현재 우리는 초냉각 원자 양자 시뮬레이션 방면에서 이미 비교적 좋은 진전을 보이고 있다.

양자 컴퓨팅은 장기적으로 인공 지능 방면에서 매우 중요한 응용이 될수있다. 이것은, 고전적인 컴퓨터는 결국 결정론적이기 때문이다. 고전적인 인공 지능은 어느 정도까지 발전하더라도, 우리는 여전히 이것은 기계이고, 하나의 로봇이며, 그것은 완전히 인간의 대뇌처럼 생각할수 없다고 생각한다. 양자역학은 처음으로 관측자의 의식과 물질의 진화를 결합시켰고, 어떤 과학자들은 그래서 인간 대뇌의 운행 메커니즘이 양자 컴퓨터와 일부 상통하는 점이 있을 것이라고 추측했다. 양자 컴퓨팅의 발전과 함께, 아마도 우리가 인류의 지혜를 더 잘 이해하는 데 도움을 줄수 있을것이다.
 
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