빛의 양자컴퓨터 - 광양자컴퓨터의 원리와 이론 그리고 실현을 향한 여정

기존 컴퓨터보다 훨씬 뛰어난 성능을 가진 미래 컴퓨터라 불리는 양자컴퓨터..
신문, 뉴스에 나올 때마다 궁금증을 불러일으켜 관련 책을 처음 읽어봤다.
도쿄대 교수인 후루사와 아키라의 "빛의 양자컴퓨터"란 책을 읽었는데 역시 어렵기만 하다. ㅠㅠ
이왕 읽은 김에 이해되는 부분만이라도 정리해보려고 한다.   

양자컴퓨터를 이해하기 위해서는 두 가지 개념(양자중첩과 양자얽힘)을 먼저 알아야 한다. 
기존 컴퓨터에서 비트라는 개념이 있다. 0과 1 둘 중 하나의 값만을 가질 수 있는 컴퓨터의 최소 단위다.
반면, 양자컴퓨터의 양자비트는 0이면서 동시에 1인 상태를 가질 수 있다. 이를 양자중첩이라 부른다. 
양자중첩을 이용하면 0인 상태와 1인 상태를 동시에 병렬 연산할 수 있어 기존 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 가질 수 있다고 한다.

양자얽힘은 2개 혹은 여러 개의 양자비트가 있을 때, 한 양자비트의 상태를 측정하면 다른 양자비트의 상태를 알 수 있다는 것이다. 즉 여러 양자비트의 상태가 서로 '얽혀 있는' 것을 뜻한다. 왜 그런지는 잘 모르겠지만 양자얽힘 상태에 있는 양자비트의 수가 많으면 많을수록 더 많은 연산을 동시에 처리할 수 있다고 한다. 

현재 초전도물질, 극저온 원자, 이온, 빛(광자) 등 다양한 후보들이 저마다의 장점을 가지고 양자컴퓨터의 양자가 되기 위해 힘겨루기를 하고 있다. 책 제목 처럼 저자는 광자를 중심으로 양자컴퓨터를 연구하고 있다. 
광자는 정보를 처리하고 저장하는 양자컴퓨터의 플랫폼으로서는 다른 경쟁자들보다 주목을 덜 받아왔다.
하지만 저자는 극저온에서만 작동하는 다른 플랫폼과 달리 상온에서 작동시킬 수 있는 빛만이 궁극적으로 상용 양자컴퓨터를 만들 수 있다 믿고, 빛이 가진 장점을 최대한 살려서 연구를 진행하고 있다. 
또한 광자는 빛의 속도로 이동하는 성질도 있어 양자통신 분야에서 주목을 받고 있다.   
아직까지는 어떤 양자 플랫폼이 미래의 상용 양자컴퓨터를 구성할지 예측하기는 어렵다고 한다. 

마지막으로 양자 텔레포테이션이 신선했다.
엑스맨과 같은 공상과학 영화에서 나오는 순간이동이 가능한 컴퓨터라 생각하니 기대가 컸으나 아쉽게도 순간이동은 아니었다. 양자 텔레포테이션이란 한 장소에서 다른 장소로 양자정보를 전송하는 현상을 말한다. 옮기고 난 후, 원래 장소에서 양자정보가 사라지기 때문에 텔레포테이션이라고 명명한 듯 하다. 
양자정보를 전송하는 양자통신의 핵심 기술로 양자얽힘 상태를 이용한다고 한다.
저자는 2개의 양자비트의 양자얽힘 상태를 이용한 양자텔레포테이션뿐만 아니라, 다수의 양자비트가 얽혀 있는 슈뢰딩거의 고양이 상태의 양자텔레포테이션에도 성공했다고 이야기한다. 

슈뢰딩거 고양이 문제는 오스트리아의 물리학자인 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해 고안한 실험이다.
상자 안에 고양이가 있으며, 고양이를 죽일 수 있는 장치도 함께 있다. 이 상자를 열기 전에는 고양이가 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 공존하고 있다는 이야기로 유명하다. 
고양이의 생사 여부를 확인하기 전까지는 고양이의 상태를 살아있으면서도 동시에 죽어있는 상태라고 규정한다.  
즉, 1이면서 동시에 0인 상태가 되는 것이다. 이 실험으로 1이면서 0인 양자중첩에 대한 개념이 조금 이해가 된다. 
양자역학의 불완전성을 비판하기 위한 실험이 오히려 양자역학을 쉽게 설명하게 되는 아이러니다. 

이외에도 양자통신에서 오류 정정, 양자중첩이 깨지기 쉬운 상태, 주위 환경에 민감한 양자 특성 등 상용 양자컴퓨터로 나아가기 위해서는 해결해야 할 문제들이 많이 있는 듯 하다.