본문 바로가기 주메뉴 바로가기

핵융합

  • Fusion Story
  • 핵융합
핵융합의 다른 글

201910.23

양자컴퓨터가 핵융합에도 활용될 수 있다?

커뮤니케이션팀   
https://fusionnow.nfri.re.kr/post/nuclear-fusion/1005

지난 9월 구글에서 전 세계 과학기술계를 들썩이게 하는 뉴스를 발표했습니다. 바로 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1만 년을 계산해야 풀 수 있는 수학 문제를 단 3분 20초(200초) 만에 해결하는 양자컴퓨터를 개발했다는 건데요. 많은 논란의 여지가 있었지만 그동안의 논란들을 불식시키듯 국제 학술지 '네이처' 10월 23일자 온라인판에 공개되며, 성능 시험에 성공했다는 것을 확증했습니다. 이렇듯 양자컴퓨터에 대한 관심이 높아지고 있는 것이 분명한데요. 우리가 알던 슈퍼컴퓨터의 능력도 놀라웠는데, 이 양자컴퓨터는 도대체 무엇이길래 순식간에 슈퍼컴퓨터의 능력을 고대 유물쯤으로 만들어버린 걸까요? 궁금증과 함께 이 뉴스가 사실이라면 우리가 정말 풀고 싶은 핵융합 상용화 난제 해결도 가능해지겠다는 희망도 생겨납니다.

 

그래서 이번 콘텐츠에서는 양자컴퓨터란 무엇인지, 양자컴퓨터를 활용할 수 있다면 핵융합 연구에 어떤 변화를 가져올 수 있을지 살펴보려고 합니다.

 

 구글이 개발 중인 양자컴퓨터는 초전도 회로를 절대영도에 가까운 극저온에 보관한다. <사진 출처=google> 

 

 

|고전역학으로 해석할 수 없는 양자역학의 세계

 

양자컴퓨터를 알기 위해서는 먼저 양자역학을 알고 넘어가야겠습니다. 사실 양자역학은 우리의 상식과 반대되는 현상이 나타나기에 이해하기 매우 어려운 과학 분야로 꼽히기도 합니다. 20세기 최고의 물리학자 중 한명인 리처드 파인만은 “양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다고 자신 있게 말할 수 있다.” 언급했다고 합니다. 이 말에 위안을 얻고 그럼 양자역학이 무엇인지 살짝 들여다보도록 하겠습니다.

 

지구 종말의 순간이 왔습니다. 과학자와 몇 명의 어린이만 살아남았습니다. 과학자는 인류의 문명 재건을 위해 가장 중요한 한 마디를 남겨야 합니다. 당신이라면 무엇을 말해주겠습니까? 이 질문에 리처드 파인만은 이렇게 답했다고 합니다. “모든 것은 원자로 이루어져 있다(All thing are made of atoms).” 사람은 물론 물체와 자연계, 우주의 모든 것이 원자로 이루어져 있다는 것인데요. 양자역학은 원자 단위의 세계에서 일어나는 운동과 현상을 설명하는 과학입니다.

 

일반적으로 우리가 알고 있는 거시세계의 모든 운동은 뉴턴과 아인슈타인이 완성한 고전역학으로 설명됩니다. 하지만 원자 단위의 미시세계는 이런 고전역학의 법칙이 적용되지 않는다는 것입니다. 그러면 어떻게 다르다는 것일까요? 자주 인용되는 사례인데요. 전자는 입자입니다. 전자는 입자이기 때문에 2개의 구멍을 통과하면 2개의 줄무늬가 새겨져야 합니다. A 아니면 B를 통과할 수 있으니까요. 그런데 여러 개의 줄무늬가 생깁니다(이중 슬릿 실험). 마치 소리나 파도와 같은 파동처럼 말이죠. 전자는 입자인 동시에 파동이라는 거죠.

 

고전역학에서는 반드시 하나의 구멍을 통과해야 하지만, 양자역학에 따르면 2개, 아니 수십 개의 구멍을 동시에 통과할 수 있습니다. 이처럼 여러 상태를 동시에 갖는 것을 ‘중첩’이라고 부릅니다. 2개의 파동이 시공간 상으로 동시에 존재하는 상태를 의미하는데요. 전자를 보면(측정하면) 입자처럼 하나의 구멍만 통과하고, 보지 않으면(측정하지 않으면) 파동처럼 2개의 구멍을 동시에 통과합니다. 고전역학에서는 전자의 운동을 예측하고 어디에 있으리라 예측할 수 있었지만, 양자역학에서는 알 수 없습니다. 확률적인 결과만 알 수 있죠. 이처럼 원자 단위에서는 고전역학으로 설명할 수 없는 다양한 현상이 벌어지는데요. 그러한 원자 단위의 운동과 현상을 설명하고 수학적으로 계산하는 학문이 바로 양자역학입니다.

 

양자컴퓨터(왼쪽)과 기존의 디지털컴퓨터(오른쪽)의 정보 전달 차이. 양자영학의 중첩과 얽힘 등의 원리를 기반으로 한다. <사진 출처=유튜브 캡쳐> 

 

 

| 0과 1 동시에…수천 대 슈퍼컴 할 일을 1대로

 

양자컴퓨터는 글자 그대로 이러한 양자역학의 원리를 이용한 컴퓨터입니다. 원리는 이렇습니다. 기존의 디지털컴퓨터는 2진법을 사용합니다. 반도체에 전류가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 모든 데이터가 나타납니다. 그래서 디지털컴퓨터의 최소 단위는 비트(bit)입니다. 비트 한자리에는 0 아니면 1을 써야 하죠. 이와 달리 양자컴퓨터는 양자역학의 대표적인 특성인 중첩을 적용합니다. 0인 동시에 1이 될 수 있어 한 자리에 0과 1을 동시에 쓸 수도 있습니다. 양자컴퓨터의 기본 단위는 비트가 아니라 양자 비트(Quantum bit), 줄여서 큐비트(qubit)라고 합니다. 과학자들은 큐비트를 구현하기 위해 앞서 본 구글의 양자컴퓨터처럼 초전도체에서 일어나는 특수한 물리적 현상을 이용하거나, 반도체 안에 조작 가능한 인공적인 원자를 만드는 등 여러 방법을 시도하고 있습니다.

 

양자컴퓨터는 큐비트 하나에 0과 1의 두 상태를 동시에 표시할 수 있어 데이터를 병렬적으로 동시에 처리할 수 있고요. 큐비트 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량도 기하급수적으로 늘어나게 됩니다. 예를 들어 2개의 큐비트라면 00, 01, 10, 11 이렇게 2²=4개의 상태를 동시에 표현할 수 있습니다. 따라서 큐비트가 N개로 늘어나면 처리 가능한 정보량은 2ⁿ로 상상할 수 없을 정도로 증가합니다. 병렬로 연결된 수천 대의 고성능 컴퓨터를 사용해도 수개월 걸리는 계산을 양자컴퓨터는 단 몇 분 만에 해결할 수 있죠. 이러한 큐비트를 늘리는 동시에 안정된 상태로 유지하는 것이 양자컴퓨터 상용화의 관건입니다. 현재는 50여개의 큐비트 수준에서 신뢰도 높은 계산을 하고자 하는 연구가 이루어지고 있습니다.

 

양자컴퓨터를 전공한 국가핵융합연구소 KSTAR연구센터 고성능시나리오연구팀 이명원 연구원은 “양자컴퓨터는 특정 문제에 대해서 기존 컴퓨터보다 월등한 속도를 낼 수 있다. 일례로 현재 가장 널리 쓰이는 암호는 계산을 오래 할 수밖에 없는 소인수 분해를 이용하는 방식인데, 일반 컴퓨터로 계산하면 수억 년 걸려야 푸는 문제를 양자컴퓨터의 알고리즘을 통해 단 몇 시간 안에 풀 수 있다”고 설명했습니다. 또 “현재 양자컴퓨터의 가장 큰 이슈는 큐비트의 노이즈를 제거하는 문제다. 계산의 정확도가 99.99999% 이상 되어야 하는데 아직은 큐비트를 유지하고 조작하는 각 과정에서 에러가 존재하며, 큐비트가 늘어날수록 계산 결과의 오차가 커질 수밖에 없는 상황이다. 큐비트의 개수를 늘리는 것과 더불어 보다 정밀한 큐비트를 유지하는 것이 양자컴퓨터 상용화의 관건”이라고 덧붙였습니다.

 

 

IBM 연구자들이 개발 중인 양자컴퓨터를 살펴보고 있다. <사진 출처=IBM> 

 

 

| 카오스 상태의 플라즈마를 가두고 제어하라

 

이런 기존의 한계를 뛰어넘는 계산 능력을 가진 양자컴퓨터가 나온다면 인류가 염원하는 핵융합에너지의 상용화도 훨씬 가까워질 수 있습니다. 핵융합 상용화를 위한 난제를 푸는데 양자 컴퓨터가 큰 도움을 줄 수 있기 때문이죠.
 
카오스(Chaos). 핵융합 상용화는 예측 불가능하고 무질서한 세계를 의미하는 카오스를 코스모스(Cosmos. 질서)로 만드는 일이라고 해도 과언이 아닙니다. 핵융합 발전을 위해서는 우선 태양처럼 핵융합 반응이 일어날 수 있도록 초고온의 플라즈마를 특정 공간에, 충분한 시간 동안 가둘 수 있어야 합니다. 태양은 엄청난 질량 때문에 자신의 중력만으로 거대한 수소 플라즈마 덩어리를 이루고, 중심부에서 끊임없이 수소 핵융합 반응을 일으켜 에너지를 생성할 수 있습니다.

 

이것을 지구에서 인공적으로 구현하기 위해 만든 것이 바로 인공태양이라 불리는 핵융합 장치이지요. 그런데 지구상에서 플라즈마를 가두고 핵융합 반응을 발생시키는 건 차원이 다른 문제죠. 핵융합 반응을 활발하게 일으키려면 1억℃ 이상의 플라즈마를 오랫동안 안정적으로 가둘 수 있어야 하는데, 불가능해 보이는 이 미션을 과학자들은 자기장을 이용해 풀었습니다.

 

인공태양을 구현하기 위해서는 초고온의 플라즈마를 가둘 수 있는 장치가 필요하다.

이때 고온 핵융합 플라즈마는 어디로 튈지 모르는 그야말로 ‘카오스’ 상태이다. <사진 출처=ITER> 

 

 

도넛 형태로 진공 용기를 만들고, 강력한 자기장을 걸어 고온의 플라즈마가 빠져나오지 못하도록 가두는 겁니다. 전기적 성질을 지닌 플라즈마가 자기장을 중심으로 나선을 그리듯 맴돌며 움직이는 원리를 이용한 거죠. 이렇게 자기장을 이용해 핵융합 반응에 필요한 플라즈마를 담아두는 도넛 모양의 핵융합 장치를 토카막이라고 부릅니다. 우리나라의 초전도핵융합연구 장치 KSTAR가 대표적인 토카막이지요.

 

 

고온의 핵융합 플라즈마는 압력 차, 대용량의 플라즈마 전류 등으로 인해 상황에 따라 불안정하게 요동친다. 

 

 

|카오스에서 코스모스로 가는 과정에 필요한 것은 계산 

 

그런데 토카막을 만들었다고 해서 쉽게 플라즈마를 가둘 수 있는 것은 아닙니다. 특히 고온의 핵융합 플라즈마는 안과 바깥 사이에 생기는 큰 압력 차이, 자기장을 만들기 위해 발생시킨 대용량의 플라즈마 전류 등으로 인해 상황에 따라 불안정하게 요동칩니다. 심지어 ‘붕괴’하기도 합니다. 이렇게 천방지축 날뛰는 플라즈마를 안정되도록 제어해 토카막 안에서 원하는 대로, 원하는 시간만큼 안정적으로 핵융합 반응이 일어나도록 하는 목표이지요.

 

그러기 위해서는 플라즈마가 어떤 상황과 조건에서, 어떤 물성으로, 어떻게 거동하는지 알아야 합니다. 이른바 자기유체역학적 분석인데요. 불안정성의 가장 큰 원인은 모든 만물이 가장 낮은 에너지 상태를 찾아가려는 고유한 성질 때문입니다. 이것을 제어하려면 플라즈마의 물성을 정확하게 파악한 후 온도, 압력, 밀도, 자기장 분포 등 핵융합 장치의 다양한 작동 조건을 수천분의 1초 단위로 세밀하게 조절해 불안정성이 일어나지 않도록 해야 합니다. 혼돈 속에서 질서를 찾도록 하는 것이지요.

 

이 과정은 모두 엄청난 계산을 필요로 합니다. 핵융합 장치에서 이뤄지는 한 번의 플라즈마 실험 과정에서는 엄청난 양의 데이터가 쏟아집니다. KSTAR 역시 실험 기간 동안 다양한 플라즈마의 행동 패턴과 상호작용을 보여주는 수많은 데이터를 생산하고 있습니다. 연구자들은 이 데이터를 바탕으로 이론 모델을 세우고 시뮬레이션 기술을 활용해 이론 모델과 실험 데이터를 비교하고 분석하죠. 보다 물리적으로 합당한 이론 모델(핵융합 이론 및 모델링)을 만들기 위해 이 과정을 계속 반복합니다. 복잡한 핵융합 플라즈마 현상을 이해하고 천방지축 어디로 튈지 모르는 고온의 핵융합 플라즈마를 제어하기 위해 물리 법칙에 기반한 대용량 시뮬레이션이 필수적입니다. 최근에는 막대한 데이터 속에서 일정한 패턴을 찾아내기 위해 기계학습 또한 동원되고 있습니다.

 

이러한 모든 계산 과정을 수행할 때 반드시 필요한 것이 슈퍼컴퓨터입니다. 핵융합 연구자들은 플라즈마 난류와 불안정성 등 핵융합 플라즈마의 여러 난제를 연구하고 해결하는데 슈퍼컴퓨터의 힘을 빌리고 있습니다. 고성능의 슈퍼컴퓨터 덕분에 핵융합 실험 과정에서 정밀하게 플라즈마 움직임을 예측하고 관찰할 수 있었고, 이는 국내 핵융합 이론 및 모델링 연구에 비약적인 발전을 가져왔지요.

 

 국가핵융합연구소가 보유한 슈퍼컴퓨터의 모습

 

그런데 이런 슈퍼컴퓨터보다 수만 배, 아니 수십만~수백만 배의 데이터 처리 속도를 내는 컴퓨터가 등장하면 어떨까요? 더구나 이제 핵융합은 KSTAR와 같은 연구 장치 수준과 실험로인 ITER(국제핵융합실험로)를 넘어 실제 전기를 생산할 수 있는 단계인 핵융합실증로(DEMO) 개발 준비에 들어갔습니다. 핵융합 상용 발전소를 향해 한 걸음씩 전진하고 있지요. 한 번씩 고온의 플라즈마를 발생시킬 때마다 쏟아지는 데이터양은 기존의 연구 장치 수준과 비교할 수 없을 정도가 될 겁니다. 또 이 과정에서 그동안 미처 발견하지 못했거나 예측하지 못했던 상황이 수시로 발생할 수도 있습니다. 그 즉시 데이터를 분석하고 시뮬레이션을 통해 해결 방법을 찾아야죠. 그러기 위해서는 슈퍼컴퓨터보다 더 강력한 컴퓨터가 필요합니다. 바로 양자컴퓨터입니다.

 

양자컴퓨터는 양자역학의 대표적인 현상인 중첩 원리를 이용해 0이나 1의 기존 컴퓨터와 달리 0과 1을 동시에 쓸 수 있다.

<사진 출처=D-wave systems> 

 

 

|핵융합과 양자컴퓨터가 만나는 퀀텀점프 오나

 

구글은 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터 성능을 뛰어넘는 상황을 의미하는 ‘양자 우위’ 관련 연구 보고서를 온라인에 일시적으로 공개했는데요. 이 연구 결과가 10월 23일 정식 논문으로 출판되며, 구글은 이번에 개발한 최신 양자컴퓨터 칩인 '시커모어'의 성능 시험 성공을 알렸습니다. 논문에 따르면, 구글 양자컴퓨터는 앞서 설명한 것처럼 현존 세계 최고 슈퍼컴퓨터 IBM 서밋이 1만 년 걸릴 계산을 단 3분 만에 끝냈다고 합니다. 이에 앞서 구글은 2018년 3월, 72큐빗의 양자컴퓨터 칩을 공개하기도 했고요. IBM도 같은 달 53큐빗의 양자컴퓨터를 공개하고, AT&T는 양자컴퓨터를 이어주는 양자 네트워킹 연구에 박차를 가하고 있습니다. 이번 구글의 발표뿐 아니라 전 세계에서 불쑥 소개되는 양자컴퓨터의 연구 결과로 미루어보면 머지않아 양자컴퓨터가 상용화될 가능성이 커지고 있는 것은 분명해 보입니다.


양자컴퓨터가 개발되면 현재 슈퍼컴퓨터가 담당하는 기상 예측, 인간 신경망 분석 등 미시 분야는 물론 우주, 핵융합 등 거대과학 분야에서 다양한 기여를 할 것으로 보입니다. 강력한 암호해독 능력도 양자컴퓨터에 대한 기대감을 높이는 중요한 이유인데요. 특히 최근에는 국가 안보와 직결된다는 인식이 확산하면서 미국의 경우 매년 2억 달러(약 2,200억 원), 영국은 5년간 1억 2,000만 파운드(약 1,745억 원)를 투입하는 등 막대한 자금을 쏟아붓고 있습니다. 중국과 일본 등도 국가 차원에서 양자컴퓨터 개발에 많은 관심을 기울이고 있고요. 우리나라 역시 다소 출발은 늦었지만, 양자컴퓨팅 기술개발, 차세대 정보컴퓨팅 기술개발 계획을 확정하고 올해부터 본격적인 사업에 착수했습니다.  

 

☞'양자컴퓨터 설명 영상' 바로가기

 

핵융합(연) 이명원 연구원 역시 양자컴퓨터가 개발되면 핵융합 분야의 획기적 발전을 가져올 것으로 기대하고 있는데요. 이 연구원은 “양자컴퓨터가 상용화되면 핵융합에 필요한 난류 문제 해결이나 빅데이터 분석에 큰 도움을 줄 수 있을 것”이라면서 “미국 등 선도 그룹에서는 연구자들이 모여 양자컴퓨터의 알고리즘을 핵융합과 같은 실제 문제에 어떻게 적용할 수 있을지 초기적 논의가 이루어지는 단계”며 앞으로의 연구에 기대감을 보였습니다.

 

인류 미래 에너지의 희망을 밝히고 있는 핵융합 연구, 미래 사회의 획기적인 패러다임 변화를 가져올 양자컴퓨터 연구. 아직은 각자의 길을 걷고 있지만, 언젠가 만나는 날이 오겠죠? 그 순간이 핵융합 상용 발전의 퀀텀 점프(Quantum Jump)가 될지도 모르겠습니다. 하루빨리 그날이 오길 기대하며 핵융합과 양자 컴퓨터 두 분야 모두에 응원의 박수를 보냅니다!

  •  좋아요 bg
    0
    좋아요 bg
  •  카카오스토리 공유 bg
    211
    카카오스토리 공유 bg
  •  카카오톡 공유 bg
    211
    카카오톡 공유 bg

댓글 0

정보에 대해 만족하십니까?

TOP