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양자공학 Quantum Information Engineering 에 대해서

IT/BT/NT 에 이어서 앞으로 세계를 이끌어갈 공학기술의 한 트렌드에 대해서 소개하겠습니다.

특히나 밑에 나리형이란 회원이 윤도리를 쭉쭉 빠는 수단으로 여기에 관한 글을 올려서 제가 개략적인 설명을 해 드리겠씁니다.

사실 양자공학은 양자역학 (quantum mechanics)에 기반을 두고 있어서, 양자역학이라는 물리학을 받치는 한 기둥에 대한 정확한 이해없이는 이해하기 어렵습니다.

보통 물리학을 심도있게 공부하려고 외국이 되었건, 국내가 되었건 대학원을 진학하면, 대학원 1년을 마치고 박사과정자격시험을 치루게됩니다. 박사과정자격시험에서는 학부와 대학원에서 배운 과정중에서 물리를 풀어가는데 중요하다고 생각하는 과목에 대한 시험을 봅니다. 학교마다 조금 틀리기는 하지만, 제가 졸업한 미국 대학원에서는 다음의 5과목을 3일에 걸쳐서 시험을 봅니다. 그리고 한 응시생의 20~50%정도의 성적이 안 좋은 학생은 석사학위만 주고 내보냅니다. 정확히는 박사과정 진입을 허락하지 않습니다. 공식적으로 퇴학시키는건 아니지만, 결국은 자퇴할수밖에 없게됩니다. 

일종의 오징어 게임입니다. 

저희 학교에서는

첫째날

1. 고전역학 Mechancis 3시간

2. 전자기학 E&M 3 시간

둘째날

3. 양자역학 Quantum Mechanics 3 시간

4. 통계물리 Statistical Mechanics 3 시간

세째날

5. 구두시험 Oral Testing 2 시간

양자역학이 다른 과목에 비해서 이해하기 어려운 이유는 직관적 (intuitive)하지 못하고, 개념자체가 추상적입니다. 그래서 그 똑똑하다는 아인슈타인도 톡톡히 망신을 당했었습니다. 

대부분의 물리 전공자가 아닌 분들중에서 양자역학을 그나마 쉽게 이해하고 싶은 회원들은 유튜브같은데, EBS나 물리 전공 유튜버들이 그래픽이나 동영상으로 잘 설명해 놓은 컨텐츠가 많으니 참고하시기 바랍니다. 

양자역학을 기반으로한 양자공학에는 다음과 같은 세부분야가 있습니다.

1. 양자 암호학 quantum cryptography

2. 양자 전송 quantum teleportation

3. 양자 전산 quantum computing

4. 기타 양자 공학 ETC quantum engineering - quantum gyroscope, quantum lithography, quantum time standard, quantum radar, (entangled photon pair를 이용한) 잠수함간의 통신..........

제가 대학원을 다니던 1990년대에 양자공학이 태동하던 시기이고, 제가 다니던 학교가 그 쪽을 잘 하던 학교여서 저도 많은 관심을 가졌던 분야입니다. 이 중에서 가장 먼저 성과를 낸 분야는 양자 암호학쪽으로 제가 대학원을 다니던 시절에 이미 free space optical communication과 fiber optic communication 양쪽에서 모두 괄목할 성과를 내었습니다. 이 분야가 특히 군사적인 응용과 경제 분야에 응용이 아주 중요합니다. 프리 스페이스 광통신은 미국 나사와 국방부에서 많은 연구가 진행되었고, 광섬유를 통한 양자 암호 통신은 오스트리아의 안톤 자이링거 교수가 많은 성과를 내었습니다. 지금은 이미 상용할수 있는 시스템이 계발되었습니다. 양자 암호학이 중요한 이유는 도청자체가 원론적으로 불가능한데 있습니다. 기존의 암호통신은 두 카테고리가 있습니다. public key system과 private key system.   private key system이 바로 간첩들이 쓰는 난수표 방법을 일컽고, 이건 시큐어하나 범용성의 문제가 생깁니다. public key system은 범용성은 좋으나 강력한 컴퓨터로 해킹이 가능합니다. 요즘 현금인출기에 쓰이는 방식이 바로 classical public key system 암호통신입니다. 이건 원리적으로 전부 헤킹이나 도청이 가능합니다. 

일예로 제게 아주 강력한 수퍼 컴퓨터가 있고, 으아님, 솜이아빠나 수퍼보컬님의 은행 계좌번호를 알고 있으면, 그 회원들의 통장 잔고는 전부 제가 다 가져갈수 있습니다. 

그런데 양자암호통신은 이거 자체가 거의 99.99%가 원리적으로 불가능해집니다. 아주 약간의 가능성은 남는데, 그 이야기는 너무 복잡해서 패스.

양자 전송은 좀 꿈같은 이야기이긴 한데, 이것도 이미 1990년대에 실험실에서 그 가능성이 입증되었습니다. 

이게 아주 발전하면 과거에 AFKN에서 하던 스타트랙의 순간 이동이 가능해집니다. 

기본적으로 원리는 물리계에서는 정확히 똑같은 quantum status를 공유하는 시스템을 존재하지 않는다는 물리 원리에 기반을 합니다. 

그래서 원본의 quantum status를 나타내는 정보를 A 지점에서 B 지점으로 정보만 전송하면 B 지점에서 그 quantum state를 재구성합니다. 

그러면 A 지점의 원본이 소멸하고 B 지점에 정확히 양자 상태가 동일한게 나타남으로서 물질이 전송되었다고 생각하는겁니다. 

일종의 cut & paste입니다. 

이 부분도 이미 1990년대에 원자 2~3개정도의 quantum teleportation 을 실험실에서 보여주었습니다. 

그런데 이정도의 성과로는 실생활에서 응용할데가 마땅치 않은데다가 그 이후에 기술 발전에 돌파구가 보이지 않아서 많이 정체된 분야입니다. 

그리고 이 양자전송 기술에 상대론의 시공간 개념까지 집어넣으면 소위 말하는 time travel이 가능해집니다. 

요즘 많이 일반인들이 회자하는 양자컴퓨팅은 qubit의 quantum entanglement를 이용해서 컴퓨팅에 이용하는것입니다. 

이게 근본적으로 클래시컬 컴퓨팅과 다른 점은 컴퓨팅 파워가 소자 숫자에 linearly proportional 한게 아니고 exponentially proportional 하다는데 있습니다. 

그러니까 컴퓨팅 파워가 큐빗숫자에 비례해서 기하급수적으로 증가합니다. 

하지만 규핏 구현이 기술적으로 너무 어려워서 (극저온이 필요하거나, 라이프 타임이 지극히 찰라의 순간이어서) 기존에 PC 스타일의 퀀텀 컴퓨터가 나올 가능성은 지극히 낮고, 아마 센터럴 메인 프레임 형식을 컴퓨터를 단말기가 엑세스해서 쓰는 방식이 될거라고 추측합니다. 

그리고 퀀텀 컴퓨터가 기존의 모든 컴퓨터 기술을 대체하는 그런 기술이 아니라 퀀텀 컴퓨터가 나오더라도 기존의 피씨나 노트북 컴퓨터와 병행해서 쓰게 될겁니다. 

그리고 이 기술이 기존의 컴퓨팅보다 모든 면에서 우수한게 아니고 잘 하는 분야와 못 하는 분야가 나누어져 있다고 알려져있습니다. 

특히 잘 할 수 있는 분야가 기존의 public key system 암호통신의 브레이킹과 information searching 분야입니다. 

이 분야는 특히 미국 정부가 21세기 새천년에 미국의 패권을 유지시킬 핵심과학기술이라고 선정해서 다른 나라와 쉽게 공유하지 않기로 결정했습니다. 

이게 어느 정도로 보안이 철저한지 다음 예에서 알수 있을겁니다.  

제가 아는 어떤 분이 이 분야 연구로 박사학위를 따셨는데, 그 논문 전체가 classified (기밀서류)로 분류되어서 공개가 원천 봉쇄되어있습니다. 

우리나라에도 아주 유능한 몇 분이 이 분야에서 연구를 하고 있습니다. 

이번에 윤도리 정부에서 우리나라와 공동연구를 한다고요....

저 같은 사람이 들으면 지나가도 그냥 웃습니다.

아직 미국을 모른는 것들이라고요......

그냥 무식하면 용감하다는 생각밖에 안 드네요.

아마 무슨 센터로 간판을 올렸을겁니다. 

그래도 실제적인 도움은 안 될겁니다. 

미국입장에서 도움이 되겠습니까?

추신,

가끔 칼립소가 탁구 모션이나 폼 이야기할때 모멘텀이니 회전관성이니 스피드니 하는 이야기하는데, 그건 전부 고전역학의 지식을 바탕으로 합니다.

그리고 이런 고전역학 지식이 모션과 폼을 이해하는데는 아주 도움이 되지만, 그렇다고 경기에 도움이 되는건 아닙니다.

그리고 이런 고전역학만을 따로 때어서 좀 더 현실적으로 빠르게 응용할수 있게 가르치는 학과가 바로 기계공학입니다.  

탁구에는 양자역학/통계물리/전자기학은 아무짝에 쓸모가 없습니다. 

장비 소재쪽으로 가면 약간 도움이 되기는 합니다.