미래의 컴퓨터 by 알랭 슐

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복잡성 제어 문제는 오늘날 조직행동론 연구자들만이 아니라 과학자들에게도 중대한 과제 중 하나다.

어떻게 복잡성을 더 잘 이해하고 좀 더 효율적으로 제어할 것인가? 

결국 이런 의문을 통해 무한대와 무한소에 이은 세 번째 무한 개념이 등장하게 되니, 바로 '무한 복잡성'이다.

 

마이크포스코프(microscope, 현미경)로 무한소를, 텔레스코프(telescope)로 무한대를 정복한 인간에게 컴퓨터는 세 번째 무한 개념, 즉 복잡성을 정복하는 메크로스코프(macroscope)가 되었다.

 

컴퓨터의 등장으로 조직 및 작동의 복잡성을 유발하는 단순한 법칙들과 요인들에 기초해 자연을 재구성하는 방식으로 자연을 이해할 수 있게 된 것이다.

 

새로운 소자와 마이크로칩은 더 이상 고체물리학만을 기반으로 한 전자공학이 아니라 화학에 기초한 전자공학 발전의 산물일 것이다. 다시 말해 미래의 컴퓨터는 분자전자소자로 구성될 것이다. 현재 학계에서는 분자전자소자를 반도체의 잠재적인 대체 소재로 보고 있다. 분자전자소자는 기존의 반도체 소자에 비해 여러 가지 장점을 갖고 있는데, 3차원(3D) 조립이 가능하고, 운영자의 기호에 맞게 맞춤 속성을 가질 수 있으며, 생명체의 극소 단위와 비슷한 수준까지 소자의 소형화가 가능하다. 또한 생명체계와의 인터페이스를 구축할 수도 있을 것이다. 

 

생체분자(biomolecule)크기의 초소형 트랜지스터를 제조할 수 있어야 한다.

 

많은 분자전자공학 연구자의 목표는 DNA 염기성분으로 구성된 바이오컴퓨터를 제작하고 감광성 단백질을 사용하는 대용량 메모리 소자를 개발하는 것이다.

 

분자 전체가 대용량 메모리 소자의 역할을 수행하도록 만드는 것이다. 

 

컴퓨터는 점점 더 인간의 두뇌 회로를 복제해 갈 것이다. '뉴로 컴퓨터'(neuro-computer)는 대단히 놀라운 병렬처리 능력을 자랑한다. 

 

전자 하나가 회전 방향에 따라 1비트 정보량을 구현할 수 있다.

그러므로 양자컴퓨터는 더 이상 0과 1로 이루어진 이진법 논리회로가 아닌, 무수히 많은 스핀 상태와 각 스핀 상태의 조합에 기초한 논리회로에 따라 작동한다. 스핀트로닉스가 개척한 새로운 전망 덕분에 우리는 불과 100여 나노미터 크기의 극소형 '분자'칩 하나에 논리연산과 메모리 및 전달 기능을 모두 결합시킨 스핀 반도체가 조만간 개발될 것이라고 기대할 수 있다. 스핀 반도체가 실현된다면 오늘날 알려진 가장 강력한 컴퓨터라도 고작 각설탕 정도의 크기가 될 것이다.

 

현재 속도로 개발이 계속된다고 가정하면 2020년 경에는 트랜지스터에 포함된 원자의 수를 셀 수 있을 정도로 소형화가 진절될 것이다. 그렇게 되면 소형화를 계속 시도하기가 어려워질 것이다.

 

분자전자공학의 목적은 트랜지스터 역할을 수행할 새로운 분자를 합성하는 것이다.

 

어떤 원자가 한 상태에서 다른 상태로 이행한다는 것은 이 원자의 전자구름 모양이 바뀐다는 의미이며 에너지가 변한다는 뜻이다. 만약 고준위에서 저준위로 에너지 천이가 일어난다면 원자는 빛의 형태로 두 에너지준위의 차이만큼의 에너지를 방출할 것이다. 다시 말해 원자는 광자를 방출한다. 이때 광자의 색, 즉 에너지 양은 원자가 잃어버린 에너지양과 정확히 동일하다.

 

관측자의 관측이란 행위가 전자를 양자화된 상태로 밀어넣기 때문이다. 

 

전자가 원자의 어떤 지점에라도 있을 수 있듯이, 양자 정보도 서로 구별되는 여러 상태를 동시에 가질 수 있다. 

양자연산의 모든 장점은 바로 이 '중첩'이라는 양자계의 특징에서 유래한다. 이것은 미래의 컴퓨터 개발에 혁명적인 결과를 불러 올 것이다. 

 

양자컴퓨터가 상용화되면 우리는 연산에 필요한 시간과 메모리를 획기적으로 절약할 수 있게 될 것이다. 예를 들어 100큐비트 프로세스가 장착된 양자 컴퓨터는 2의 100승의 상태를 한 번에 다룰 수 있다.

 

현재 많은 연구소에서 양자연산의 결어긋남 사건(decoherence time, 양자의 중첩 상태가 깨지기 전까지의 시간)을 길게 유지할 방법을 연구하고 있다. 현재로서는, 그것도 모형 시스템의 경우, 결어긋남 시간은 수 나노초(ns, 10억 분의 1초) 정도다.

 

[ 연결 ]

 

'과학과 사회'란 시리즈로 25권 발간된 책 중 하나..

시리즈 대부분이 100페이지도 안되는 아주 짧은 책들이다.

 

읽어 본 시리즈는..두 권 뿐이고 현재 대게 절판이 되었다.

 

 

[ 자평 ]

 

70페이지로 책이 짧고 그림이 없는 글로만 되어 있다.

나 같은 비전공자는 길을 찾기 어렵다. 

 

대중서로 나 온 양자역학을 읽은 문공들이 만만히 봤다가는 큰 일난다.

개념을 이해한 것과 구현 원리를 이해한 것은 천지 차이다.

 

양자 컴퓨터에 대해서는 요즘 더 좋은 책들이 많이 나온다.

가장 쉬운 책은 이순칠교수님의 책이었다.

나머지는 문과생들은 이해할 수 없을 것이다..

개념을 넘어서 구현을 이해하기에는 한계가 있었다. 적어도 내게는 그랬다.

 

혹시 이해할 수 있을지? 몰라 아래 원서가 번역이 되기를 기다리는 중이다.