간단하게 '양자 난수' 생성…양자컴퓨터 실용화 앞당길까

새로운 무작위 양자회로 설계법이 적용되면 양자컴퓨터의 실용화가 앞당겨질 수 있을 것으로 기대된다. 게티이미지뱅크 제공.

양자컴퓨터 실현에 중요한 '무작위성(randomness)' 구현이 복잡한 회로 없이 이전보다 간단한 구조로 가능하다는 연구 결과가 나오면서 암호, 보안, 시뮬레이션 등 다양한 첨단 분야에서 양자컴퓨터의 실용화가 앞당겨질 수 있을 것이라는 기대감이 커지고 있다.  

나오키 야마모토 일본 게이오대 응용물리·물리정보공학과 교수와 와다 카이토 게이오대 박사는 토마스 슈스터 미국 캘리포니아공대(칼텍) 박사후 연구원 등이 발표한 새로운 무작위 양자회로 설계법을 집중 조명한 리뷰 논문을 3일(현지 시간) 국제학술지 '사이언스(Science)'에 발표했다.

칼텍이 진행한 연구는 복잡한 무작위 양자 연산을 큐비트(0과 1이 중첩된 상태를 포함하는 양자컴퓨터의 정보단위) 수의 로그에 비례하는 얕은(shallow) 회로만으로 구현할 수 있는 방법을 제안한 것이다. 이는 기존에 필요했던 회로 깊이를 대폭 줄이는 성과로, 대규모 양자 정보 처리의 기술적 장벽을 획기적으로 낮춘 성과로 평가받는다. 

양자컴퓨터는 고전컴퓨터와 달리 다수의 상태를 동시에 계산하는 병렬성과 복잡한 상호작용으로 고차원 연산을 수행한다. 이때 무작위성은 암호화, 양자 시뮬레이션, 머신러닝 등에서 핵심적인 역할을 한다.

무작위한 양수 난수를 생성하기 위해 회로의 깊이와 연산량이 기하급수적으로 늘어나 실용화에 걸림돌이 됐다. 양자 난수는 양자역학의 원리를 이용해 생성된 '완전히 예측 불가능한 진짜 무작위(random) 숫자'로, 이 숫자가 있어야 양자컴퓨터 기술이 안전하고 신뢰할 수 있게 작동한다. 

슈스터 연구원팀의 논문은 이런 장벽을 낮춰 단순한 양자회로만으로도 기존의 복잡한 회로와 구분이 어려운 수준의 무작위성을 구현해냈다. 이 구조에서는 개별적으로 무작위성을 띠는 작은 회로들을 두 개 층만 쌓아도, 전체적으로는 완전한 무작위 회로와 구별이 어려운 수준의 양자 게이트가 만들어진다. 기존에 불가능했던 빠른 무작위화를 구현해 양자 연산의 시간과 에너지를 획기적으로 줄일 수 있는 것이다. 

야마모토 교수는 논평에서 "이 방식이 도입되면 양자컴퓨터의 속도와 효율성이 크게 향상될 것"이라며 "암호, 금융, 과학연구 등 실생활 분야에서 양자 난수 생성 기술이 빠르게 확산될 것"이라고 전망했다. 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]