컴퓨터의 미래는 양자컴퓨터?

'미래의 물리학'이리는 책의 저자는 미치코 카쿠라는 물리학자입니다. 저자는 과학자이면서도   그동안 BBC TV와 디스커버리 채널, 사이언스 채널에 출연하며 각종 다양한 발명품과 새로운 발견을 소개하는 역할을 했을 뿐만 아니라, TV와 라디오를 통해 세계 저명 과학자, 철학자들과 인터뷰할 수 있었다고 합니다. 덕분에  이 책을 보면 20세기 과학의 굵직한 흐름과 앞으로의 전망, 특히 4차 산업혁명의 향방을 이해힐 수 있습니다. 저자가 말한 컴퓨터의 미래에 대해 간단히 정리해 보겠습니다.

1. 컴퓨터의 발전 속도 : 당분간 무어의 법칙을 따른다!
 무어의 법직(Moore's Law)이란?  인텔사의 공동 창업주였던 고든 무어(Gorden Moore)가 1965년 제창한 법칙. 컴퓨티의 계산 능력이 18개월마다 이전의 두배로 향상된다는 것. 또한 컴퓨터가 소형화된 칩이, 모든 가전에 이식됨. 즉, 모든 사물이 지능을 가지게 됨. 이것이 바로 사물인터넷(IOT)과 인공지능(AI).

미래의 모니터는 TV형이 아닌 그림액자 또는 사진과 같을 것. 그림이나 사진들이 인터넷과 연결돼 살아 움직임.

미래에는 모든 거주시설에 지능이 부여되어, 사람들이 제일 먼저 인터넷 포털을 찾게 됨. 앞으로 5~6년이 지나면 칩이 초감도 센서와 결합되어 각종 질병과 사고, 응급상황을 감지하고 상황이 악화되기 전 경고하게 됨.

2020년이 되면 칩의 가격은 100원이하로 떨어져 주변의 모든 기기에 정착될 것이며 2100년이 되면 인간은 과거 자신들이 숭배했던 신과 동등한 능력을 가지게 됨. 사방 어디에나 컴퓨터칩이 내장되어 간단한 손놀림이나 고개짓만으로도 무거운 물체를 이동시키고 생각만으로도 주변 환경을 컨트롤 시킴.

미래의 컴퓨터도 무어의 법칙이 적용될까?

2. 컴퓨터의 종말 : 무어의 법칙의 종말 이후는 양자컴퓨터?  

 우리는 거의 매년 컴퓨터의 사양과 속도가 발전하는 현상을 보며 내 컴을 고성능의 컴퓨터로 바꿔야 하는 것 아닌가 고민하게 됩니다. 즉 1년 6개월마다 이전에 비해 2배로 발전한다는 무어의 법칙이 적용되어 왔기 때문이죠.

하지만 이 무어의 법칙이 (물리학 법칙에 근거해) 곧 종말을 맞게 된다는 견해가 이제는 받아들여지고 있다고 합니다. 그 근거로 <미래의 물리학>의 저자는 이렇게 설명하고 있는데요, 이것을 이해하려면, 컴퓨터를 지배하는 기본적인 몇 가지 물리법칙을 이해해야 한다고 합니다. 그에 관한 설명을 옮겨 왔습니다.

(1) 컴퓨터의 연산 속도가 빠른 이유는 전기 신호의 전달 속도가 거의 빛의 속도만큼 빠르기 때문인데요, 광속은 1초 동안 지구를 일곱 번 돌 수 있으며 직선 거리로는 거의 달까지 갈 수 있습니다. 전자는 결합이 느슨하므로 원자의 속박에서 풀려나 자유롭게 돌아다닐 수 있음. 이 때문에 전기 신호를 빠르게 전달할 수 있고 이로써 전기혁명이 일어날 수 있었던 것입니다.

(2) 레이저빔에 담을 수 있는 정보의 양에는 한계가 없음. 광파(빛의 파동)는 음파보다 빨리 진동하므로 훨씬 많은 정보를 전달할 수 있습니다. 빛은 파동의 일종으로 1초당 10¹⁴만큼 진동합니다. 그런데 여기에 하나의 비트 정보(1또는 0)를 실어 나르려면 여러개의 진동 사이클이 소요됨. 이에 광섬유케이블은 하나의 특정 진동수에 약 10¹¹개의 정보를 담을 수 있습니다. 따라서 광섬유케이블에 많은 정보를 넣은 후 여러 개의 광섬유를 다발로 묶어 굵은 케이블을 만들면 정보의 양은 크게 증가합니다.

(3) 컴퓨터 혁명이 가능했던 것은 전기 증폭 장치인 트랜지스터의 소형화가 가능했기 때문입니다. 트랜지스터는 전기의 흐름을 제어하는 문, 밸브 장치로서 트랜지스터가 전기의 양을 증가시키면 출력이 크게 향상됩니다.

그 중심에 있는 것이 바로 컴퓨터칩. 이 칩은 실리콘으로 만든 손톱만한 크기의 기관으로 그 안에 트랜지스터를 수억 개까지 새겨 넣을 수 있습니다.

여러 겹의 실리콘 층으로 이뤄진 기판위에 트랜지스터 모양을 낸 형판을 올려 놓고 강한 자외선을 쪼여주고 산성 용액을 발라 부식이 일어나면서 회로의 외곽선과 수백만 개의  트랜지스터가 새겨집니다.

미래의 컴퓨터는 양자 컴퓨터?

(5) 무어의 법칙에 따라 지난 50년간 컴퓨터의 성능이 꾸준히 향상되어온 이유 중 하나는 기판에 비추는 자외선의 파장을 점점 짧은 쪽으로 옮겨왔기 때문. 파장이 짧을수록 실리콘 기판에 더 작은 트랜지스터를 새길 수 있었습니다. 자외선의 파장은 거의 나노미터 단위이므로(1나노미터=10억 분의 1미터) 기판에 새길 수 있는 가장 작은 트랜지스터의 크기는 원자의 약 30배입니다.


그러나 트랜지스터의 크기가 원자 하나의 크기로 줄어들었을 때 '무어의 법칙'은 더 이상 적용되지 않을 것으로 보입니다. 위 방법으로는 원자 하나만 한 트랜지스터를 새기는 것이 물리학적으로 불가능하기 때문인데요, 트랜지스터가 원자보다 작아지면 전자가 도선을 따라 움직이다가 밖으로 새어나올 수도 있어 양자역학이나 원자물리학이 적용되어야 함. 이 시점은 2020년으로 예상됩니다.

컴퓨터 내부의 가장 얇은 층의 두께가 원자 직경의 5배 정도라면 이곳에서 일어나는 현상은 영자역학으로 설명해야 합니다. 하이젠베르크의 불확정성원리에 의하면 입자의 속도와 위치를 정확하게 아는 것은 불가능하다고 합니다. 원자 규모에서는 전자의 정확한 위치를 아는 것은 원리적으로 불가능하므로 극히 얇은 판이나 가느다란 선에 전자를 가둘 수는 없습니다. 즉 전자가 새어나올 수 있고 이것은 누전의 원인이 되기 때문.

(6) 이에 따라 구글에서는 얼마 전, 양자 컴퓨터 개발을 발표했습니다. 각 나라에서는 양자컴퓨터 개발과 발전에 서두르는 것은 이 때문. 하지만 아직까지는 양자 컴퓨터의 발전 속도는 무어의 법칙을 따를 만큼 빠르지 않다고 합니다.

위 내용은 [미래의 물리학]이라는 책을 참조했습니다. 미래의 기술을, 일반인들도 이해할 수 있도록 쉬우면서도 원리적으로 잘 설명한 잭! 기회가 되시면 꼭 한번 읽어 보시길.