컴퓨팅
뇌는 양자 컴퓨터인가? 새로운 통찰이 가능성을 시사한다
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뇌는 시계인가 컴퓨터인가?
의식과 고차원적 사고가 어떻게 생겨나는지, 뇌가 어떻게 작동하는지는 아직 완전히 밝혀지지 않았다. 역사적으로 사람들은 당대의 첨단 기술에 빗대어 인간의 정신을 설명하곤 했다.
시대에 따라 뇌와 정신은 물시계, 체액의 흐름, 기계식 시계, 전기 회로 등에 비유되었다. 오늘날에는 전기화학적 신호로 작동하는 강력한 컴퓨터에, 뉴런은 생물학적 트랜지스터에 비유되기도 한다.
하지만 ‘생물학적 컴퓨터’를 포함해 어느 비유도 뇌의 작동 원리를 완전히 설명하지는 못한다.
뇌의 에너지 소비량은 대략 12~25와트로 추정된다. 반면 엔비디아 (NVDA )의 일부 AI 칩은 모델과 운용 조건에 따라 250~700와트를 소비한다. 다만 뇌의 대사 에너지와 칩의 전력 소비량, 서로 다른 연산 작업을 직접 비교해 어느 쪽의 ‘사고 능력’이 더 우수하다고 단정할 수는 없다.
연산 능력을 늘리는 것만으로 인간과 같은 복잡한 사고와 추상적 추론이 가능한지도 논쟁 중이다. 대규모 언어 모델(LLM)은 학습한 패턴을 바탕으로 출력을 생성하지만, 이를 인간의 의식이나 사고와 어떻게 비교해야 하는지는 별개의 문제다.
이 때문에 의식의 기원에 관한 다양한 가설이 제안되었으며, 그중에는 양자 효과가 중요한 역할을 한다는 주장도 있다.
뇌는 양자적인가?
펜로즈의 지지
이른바 ‘양자 의식’ 가설은 양자 파동함수의 붕괴 같은 현상이 뇌의 기능과 의식 발생에 관여한다고 제안한다. 이는 확립된 설명이 아니라 검증이 필요한 가설이다.
양자역학에서 중첩 상태와 측정 결과의 관계는 중요한 해석 문제다. 측정 전의 여러 가능한 상태와 측정 후 얻는 특정 결과를 설명하는 사고실험으로 슈뢰딩거의 고양이가 널리 알려져 있다.
출처: Wikipedia
물리학자 로저 펜로즈는 양자 의식 가설의 대표적인 지지자다. 그는 일반상대성이론이 블랙홀의 형성을 예측한다는 사실을 밝힌 공로로 2020년 노벨 물리학상을 받았다. 이 상은 의식에 관한 가설을 입증한 공로로 수여된 것이 아니다.
출처: Nobel Prize
펜로즈의 물리학적 업적은 이 가설이 주목받는 데 기여했다. 그러나 연구자의 명성과 가설을 뒷받침하는 실험적 증거는 구분해야 한다.
미세소관 계산
펜로즈와 스튜어트 해머로프의 가설은 세포 골격을 이루는 미세소관에 주목한다. 미세소관에서 일어나는 양자 과정이 의식과 관련된 계산에 관여한다는 주장이다. 관련 모형은 논문으로 발표되었으며, 1996년 연구에서도 다뤄졌다. 미세소관이 의식을 생성하는 양자 계산을 수행한다는 사실이 확립된 것은 아니다.
출처: 애리조나대학교 의식연구센터
이 가설은 전신마취제가 튜불린의 양자 과정에 영향을 주어 의식을 억제할 수 있다는 설명도 제안한다. 다만 마취의 작용에는 여러 분자·신경 기전이 관여하며, 이 설명을 확정된 사실로 볼 수는 없다.
다음 42분 영상에서는 펜로즈가 자신의 생각을 설명한다.
비판
뇌가 양자 계산을 수행한다는 가설에는 상당한 비판이 제기되어 왔다. 핵심 쟁점 중 하나는 따뜻하고 주변 환경과 끊임없이 상호작용하는 뇌에서 계산에 필요한 양자 결맞음이 충분히 오래 유지될 수 있느냐는 것이다. 모든 양자 효과가 진공이나 극저온에서만 나타나는 것은 아니다.
일부 양자컴퓨터는 극저온이나 정밀하게 제어된 환경이 필요하다. 다양한 구현 방식과 과제는 「양자 컴퓨팅의 현재 상태」에서 다뤘다.
뇌의 온도와 복잡성이 특정 양자 계산 모형에 어려움을 준다는 지적은 중요하다. 그렇다고 생물학적 환경에서 모든 양자 현상이 불가능하다는 뜻은 아니다.
생물학적 구조에서 관찰되는 양자 현상
생물학적 물질에서도 특정 양자 효과가 기능에 관여할 수 있다는 연구가 이어지고 있다. 이를 곧바로 인간의 의식에 대한 증거로 해석해서는 안 된다.
철새의 자기장 감각을 설명하는 유력한 가설 중 하나도 라디칼 쌍의 양자 상태와 관련되어 있다.
이 라디칼들이 반응할 때 결과는 자기장의 세기와 방향에 영향을 받을 수 있다. 새가 이 차이를 감지해 방향을 파악할 수 있다는 설명이다. 라디칼 쌍 전자의 양자 상태와 그 상관관계가 이 과정의 핵심이다.
최근 측정
2022년 연구는 뇌에서 측정한 신호와 심장박동 관련 신호의 상관관계를 양자 과정의 가능성과 연결해 해석했다. 하지만 이 결과만으로 뇌의 양자 얽힘이나 양자 계산, 의식의 기원이 입증된 것은 아니다.
(양자 얽힘은 여러 입자의 상태가 고전적으로 설명할 수 없는 상관관계를 갖는 현상이다. 이를 이용해 정보를 빛보다 빠르게 전송할 수는 없다.)
2024년 4월 발표된 연구는 튜불린과 미세소관 구조에서 양자적 집단 효과가 나타날 수 있다는 증거를 제시했다. 살아 있는 뇌가 양자컴퓨터처럼 작동한다는 증명과는 구별된다.
연구 대상은 초복사라는 현상이다. 「생물학적 구조의 거대 트립토판 네트워크에서 나타나는 자외선 초복사」는 아미노산 트립토판이 배열된 튜불린 구조의 집단 광학 효과를 이론적으로 분석하고 형광 양자수율 측정으로 관련 예측을 시험했다.
출처: 미국화학회(ACS)
이 결과는 복잡한 생물학적 분자 구조에서 집단 광학 효과를 연구하는 데 의미가 있다. 다만 시험한 튜불린 구조의 결과를 살아 있는 뇌 전체의 정보 처리나 의식으로 바로 확대할 수는 없다.
더 나아가 초복사 등을 이용한 홀로그래픽 모형으로 기억을 설명하려는 이론적 제안도 있다. 이러한 모형이 실제 뇌의 기억 저장 방식으로 입증된 것은 아니다.
그렇다면 뇌는 양자 슈퍼컴퓨터인가?
그렇게 결론 내리기에는 이르다. 튜불린에서 집단 양자 광학 효과를 연구할 수 있다는 점과 뇌가 의식을 만드는 양자 계산을 수행한다는 주장은 서로 다른 수준의 주장이다.
이 연구는 펜로즈 가설의 ‘중력에 의한 파동함수 붕괴’를 입증하지 않는다. 생물학적 구조에서 빛과 관련된 신호 전달이 어떤 역할을 할 수 있는지는 흥미로운 후속 연구 주제다.
이러한 가능성은 세포막의 이온 이동과 시냅스 전달을 포함하는 확립된 신경 신호 체계를 대체한다는 뜻이 아니다. 추가적인 광학 기전이 존재하는지는 별도로 검증해야 한다.
초복사는 조건에 따라 피코초 수준의 빠른 시간 척도를 가질 수 있다. 1피코초는 1밀리초의 10억분의 1이다. 그러나 이 시간 척도를 근거로 뇌의 신호 전달이나 사고가 수억 배 빨라진다고 계산할 수는 없다.
응용
신경퇴행성 질환
흥미로운 발견이지만 구체적인 활용으로 이어지려면 추가 연구가 필요하다.
한 가지 연구 방향은 알츠하이머병 같은 신경퇴행성 질환에서 산화 스트레스와 생체 분자의 광학적 특성이 어떤 관련을 갖는지 살펴보는 것이다.
알츠하이머병은 높은 산화 스트레스와 관련되어 있다. 산화 반응과 관련된 빛 방출이 생체 분자에 어떤 영향을 주는지도 연구 대상이다.
트립토판은 자외선을 흡수한 뒤 더 낮은 에너지의 빛을 방출할 수 있다. 이번 연구는 트립토판이 조직적으로 배열된 큰 네트워크에서 집단 효과가 형광 특성을 강화할 수 있다고 제안한다. 이것이 실제 뇌를 보호하거나 알츠하이머병을 예방한다는 사실이 입증된 것은 아니다.
미세소관과 알츠하이머병의 관계 자체는 새롭게 제기된 문제가 아니다. 1989년 연구에서도 관련 기전이 논의되었다. 알츠하이머병에서는 타우 단백질이 미세소관에서 떨어져 나와 비정상적으로 응집하고 신경섬유 엉킴을 형성할 수 있다. 이것은 초복사에 의한 보호 기전이 증명되었다는 의미는 아니다.
양자 컴퓨팅
복잡한 분자 환경에서 집단 양자 효과가 유지되는 조건을 이해하는 일은 양자 기술 연구에도 참고가 될 수 있다.
양자컴퓨터 개발의 중요한 과제는 환경과의 상호작용으로 발생하는 결어긋남과 오류를 제어하는 것이다. 이는 물질이 ‘정상 상태’로 바뀌는 문제라고 단순화하기 어렵다.
초전도 큐비트처럼 극저온이 필요한 방식은 냉각과 환경 제어에 상당한 기술적·에너지 비용이 든다. 하지만 이온, 광자 등 다른 구현 방식도 있으며, 모든 양자컴퓨터가 동일한 극저온 조건을 요구하는 것은 아니다.
이번 연구에 사용된 이론적 방법은 잡음이 있는 환경의 복잡한 양자 네트워크를 이해하는 데 널리 활용된다. 따라서 이 결과는 열린 양자계와 양자 계산을 연구하는 많은 연구자에게도 관심을 줄 것이다.
이러한 연구는 향후 더 안정적이고 에너지 효율적인 양자 기술을 탐색하는 데 도움이 될 수 있다. 실제 장치의 성능 개선으로 이어질지는 검증이 필요하다.
초복사가 양자 정보 기술에 어떻게 활용될 수 있는지도 추가로 연구할 만한 주제다.
“단일 광자 초복사는 양자 정보를 저장하는 새로운 도구를 제공할 가능성이 있으며, 이번 연구는 전혀 다른 맥락에서 그 효과를 보여준다.
생명체의 양자 효과에 어떤 의미가 있는지 앞으로 여러 해 동안 면밀히 살펴보게 될 것이다.”
초복사는 장기적으로 계산뿐 아니라 양자 정보 저장 연구에도 활용될 가능성이 있다. 다만 생물학적 구조를 이용한 실용 장치가 이미 완성되었다는 뜻은 아니다.
생물학적 컴퓨터
뇌 오가노이드는 신경퇴행성 질환과 뇌 발달 등을 연구하기 위해 배양하는 조직 모형이다. 뉴런의 정보 처리 특성을 이해하면 이러한 모형을 활용한 연구에 도움이 될 수 있다. 이 가능성은 뉴런이 양자 계산을 수행한다는 가설이 입증되어야만 성립하는 것은 아니다.
배양 신경세포를 생물학적 연산 장치에 활용하려는 연구도 진행 중이다. AI의 전력 수요 증가는 대안적 계산 방식에 대한 관심을 높이지만, 세포 배양과 유지에 필요한 에너지를 포함한 전체 효율은 아직 충분히 비교되지 않았다.
뇌 오가노이드 기술의 발전은 「오가노이드 지능을 향한 의미 있는 단계」에서 자세히 다뤘다.
양자 뇌에 투자하기
이 연구들은 과학의 탐구 단계에 있으며, ‘양자 뇌’를 직접 상용화한 투자 대상은 없다. 다만 양자 컴퓨팅이나 오가노이드 연구에 관련된 기업에 투자할 수는 있다.
관련 기업의 주식은 여러 증권사를 통해 거래할 수 있다. securities.io에서는 미국, 캐나다, 호주, 영국 및 여러 다른 국가의 증권사 가이드를 제공한다.
개별 기업을 선택하는 대신 Defiance Quantum ETF (QTUM) 같은 펀드로 관련 산업에 분산 투자하는 방법도 있다. 다만 이러한 펀드는 양자 컴퓨팅만을 위한 순수 투자 상품이 아닐 수 있으므로 편입 종목을 확인해야 한다. 관련 기업은 「주요 양자 컴퓨팅 기업 5선」에서도 소개했다.
양자 및 신경 컴퓨팅 기업
1. Intel
INTC 가격 차트
인텔은 주요 반도체 제조업체로, 기존의 제조 역량을 양자 컴퓨팅 연구에 활용하고 있다.
인텔은 2023년 연구기관에 제공할 12큐비트 실리콘 스핀 연구용 칩인 터널 폴스(Tunnel Falls)를 발표했다. 인텔은 웨이퍼 기준 수율 95%와 전압 균일성을 보고했다. 기존 반도체 제조 기술을 활용한다는 점은 의미가 있지만, 이는 범용 내결함성 양자컴퓨터가 상용화되었다는 뜻은 아니다.
출처: Intel
인텔은 Intel Quantum SDK를 통해 소프트웨어 도구도 개발하고 있다. 개발자는 이를 이용해 인텔의 양자 하드웨어 연구와 연계되는 프로그램을 작성하고 시험할 수 있다. 하드웨어와 소프트웨어를 함께 개발하는 전략이 향후 경쟁력으로 이어질지는 시장과 기술의 발전에 달려 있다.
출처: Intel
확장 가능한 양자 칩 제조 기술은 비용을 줄이고 표준화된 설계·개발 환경을 마련하는 데 도움이 될 수 있다. 하지만 제조 규모만으로 오류 수정과 큐비트 제어 같은 핵심 과제가 해결되지는 않는다.
1968년에 설립된 인텔은 반도체 설계와 제조에서 축적한 경험을 양자 기술 연구에 적용하고 있다. 기존 사업의 성공이 양자 컴퓨팅에서의 성공을 보장하는 것은 아니다.
2. BICO Group AB (BICO.ST)
뇌와 신경계를 연구하는 한 방법은 뇌 오가노이드를 이용하는 것이다. 이러한 배양 조직은 후보 치료제에 대한 신경세포의 반응을 실험실에서 살펴보는 데 도움이 된다. 다만 완전한 인간의 뇌를 재현하는 것은 아니다.
관련 원리와 연구 동향은 「오가노이드 지능을 향한 의미 있는 단계」에서 설명했다.
2024년 위스콘신대학교 매디슨 연구진은 기능적으로 연결되는 인간 뇌 조직을 3D 프린팅했다. 연구에는 Cellink 바이오프린터가 사용되었다. 이는 신경과학 연구 도구로서의 가능성을 보여주지만, 완전한 뇌나 더 복잡한 오가노이드 전체를 출력했다는 뜻은 아니다.
출처: Cellink
2019년 Cytena와 2020년 Scienion을 인수한 뒤, Cellink는 2021년 그룹명을 BICO로 변경했다.
Cellink는 그룹의 바이오프린팅 사업 브랜드로 남았다. 바이오프린팅은 3D 프린팅 기술로 세포와 생체 재료를 배치해 조직 모형 등을 만드는 방법이다. (관련 가능성과 한계는 「인간 장기의 3D 프린팅은 얼마나 현실적인가?」에서 다뤘다.)
2023년 BICO는 바이오프린팅, 생명과학, 바이오자동화의 세 사업 부문으로 구성되어 있었다. 이 세 부문은 서로 다른 제품과 연구 도구를 공급했다.
Cellink는 바이오프린팅 장비 공급업체 중 하나다. 장 연구팀의 뇌 조직 프린팅 결과는 이런 장비가 신경과학 연구에 활용될 수 있음을 보여준다. 이를 근거로 이 분야에 다른 연구나 경쟁업체가 없다고 볼 수는 없다.
장기적으로 바이오프린팅 기술이 치료제 개발이나 제조에 더 널리 사용될 가능성이 있다. 그렇게 된다면 장비와 소모품 수요가 늘 수 있지만, 임상적 검증과 규제 승인, 상업적 채택은 아직 불확실하다.
연구 장비에서 반복적인 소모품 매출을 얻는 사업 모형은 유전체 분석 장비 업체인 PacBio (PACB)와 Illumina (ILMN)에서도 볼 수 있다. 다만 두 회사 모두 소모품 매출 비중이 일률적으로 80%라고 단정할 수는 없으며, 회사와 회계연도별로 다르다.
뇌 오가노이드와 생물학적 계산 연구가 확대되면 Cellink와 BICO 같은 공급업체에 기회가 생길 수 있다. 하지만 연구 수요의 증가가 곧바로 수익성 향상으로 이어진다는 보장은 없다.
3. FinalSpark
마르틴 쿠터와 프레드 조던이 2014년 설립한 스위스 기업 FinalSpark는 살아 있는 신경세포를 이용한 계산 플랫폼을 연구한다. 실리콘보다 에너지 효율이 10억 배 높다는 표현은 목표나 이론적 비교에 해당하며, 전체 시스템을 동일한 작업으로 비교한 검증된 성능 수치는 아니다.
회사는 사람의 피부 세포에서 유래한 신경세포를 이용해 계산 장치를 개발하면서 1천만 개의 신경세포를 시험했다고 밝혔다. 이는 회사가 보고한 누적 연구 규모이지, 완성된 범용 사고 기계의 성능을 뜻하지 않는다.
회사는 정교한 세포 배양 기법과 전기생리학적 측정을 결합해 신경세포의 정보 처리 가능성을 탐색한다. 이를 향후 AI 연구에 활용하려 하지만, 자립적인 지능형 컴퓨터가 이미 구현되었다는 뜻은 아니다.
2024년 소개된 Neuroplatform은 연구기관이 클라우드를 통해 배양 신경세포 실험에 접근할 수 있도록 했다. 당시 안내된 요금은 사용자당 월 500달러였다. 이 가격은 역사적 안내이며 현재의 모든 이용 조건을 나타내지는 않는다.
