양자컴퓨터란 무엇인가?

양자역학은 기존의 아주 미세한 원자, 분자세계에서 나타나는 현상으로, 우리가 일상생활에서 접하는 현상하고는 다르다고 합니다. 이러한 미세한 세계에서 일어나는 물리적 현상을 이용해서 컴퓨터를 만들 수 있다고 하고, 기존의 컴퓨터가 하지 못하는 엄청난 양의 계산을 빠른 시간 안에 할 수 있다고 하는데, 이에 대해 얘기해 보겠습니다.

 

 

양자컴퓨터란?

양자컴퓨터란 양자역학의 원리를 활용하여, 기존 컴퓨터로는 불가능했던 엄청난 양의 계산을 빠른 시간 안에 할 수 있는 능력 가진 컴퓨터를 말합니다. 동작방식 자체가 기존의 컴퓨터와는 근본적으로 다르며, 양자라고 하는 미세 소립자의 정렬 모양을 가지고 계산이 가능한 것이 이론적으로 확인되었습니다. 

 

 

기존 컴퓨터와의 차이

• 정보를 저장하는 방식이 다릅니다. 기존의 컴퓨터는 0과 1로 표현되는 비트를 사용하여 정보를 저장합니다. 이는 5V 혹은 3V의 전압차를 이용하여 값을 구분하는 방식으로 작동합니다. 양자컴퓨터는 큐빗(qubit)이라는 양자 역학적 단위를 사용하여 정보를 저장합니다. 큐빗은 0과 1의 중첩 상태를 동시에 가질 수 있어 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있습니다.
• 기존의 컴퓨터는 계산을 순차적으로 진행합니다. 양자 컴퓨터는 양자의 간섭과 얽힘이라는 양자 역학적 물리 현상을 이용하여 동시에 여러 계산을 수행할 수 있습니다.

 

 

특히 양자컴퓨터의 동시 계산 능력은 기존의 컴퓨터로는 수백 년이 걸릴만한 계산도 이론적으로는 몇 분만에 수행할 수 있는 계산을 할 수 있습니다. 좀 더 자세히 알아봅시다.

 

양자컴퓨터의 장점

엄청난 계산 능력을 보유합니다. 양자의 얽힘 현상은 두 개 이상의 큐빗이 서로 연결되어 상태에 영향을 줄 수 있는데, 양자의 상태를 정확히 제어할 수 있다면, 동시에 많은 양의 계산이 가능한 것이 이론적으로 가능합니다. 이렇게 되면, 기존의 컴퓨터로는 계산이 불가능했던 복잡한 계산을 빠른 시간 안에 결과를 낼 수 있으므로 새로운 문제 해결이 가능합니다.

 

특히, 현재 암호화 알고리즘의 복잡성으로 비밀번호를 모르면 해독해 내는데 수백 년이 걸릴 것으로 알려진 부분도, 양자 컴퓨터로는 몇 분 안에 해독이 되는 것으로 알려져, 양자컴퓨터가 널리 쓰이는 때가 오면 전혀 새로운 암호화 알고리즘이 필요하게 될 것입니다.

 

인공지능 학습을 위해서도 현재는 엄청난 컴퓨터 자원이 필요합니다. 몇 년 전 이세돌 9단과 대결했던 딥마인드의 알파고는 장롱 몇 개를 붙인 크기의 컴퓨터에 여러 대의 컴퓨터 기판을 병렬로 연결하여 구성하였지만, 양자 컴퓨터를 구성할 경우 이런 대규모의 공간이나 전력을 사용하지 않아도 비슷한 계산을 할 수 있는 것입니다.

 

이 외에도 신약 개발이나 금융 모델링, 기후 변화 예측에도 양자컴퓨터가 데이터에 대해 새로운 관점의 분석을 내놓을 것으로 예상하고 있습니다.

 

현재 개발 단계

아직은 초기 개발 단계에 있지만, IBM. Google, Microsoft 등 주요 기술 기업들이 양자 컴퓨터 개발에 적극 투자를 하고 있습니다. 우리나라에서는 과기정통부 주관으로 서울대, 카이스트, 포항공대 등 주요 대학들과 협력하여 개발 프로젝트를 진행하고 있습니다.

 

앞서 말했듯이 양자컴퓨터는 기존의 보안 체계를 무력화할 수 있다는 것이 이론적으로 증명된 만큼 개발 단계는 모든 회사나 연구기관들이 비밀에 부치고 있습니다. 학술대회 등을 통해 알려진 바에 따르면 IBM이 400 큐빗을 제어할 수 있는 것으로 알려져 가장 앞선 기술을 보유하고 있으며, 우리나라는 7 큐빗 수준의 테스트를 진행하는 것으로 보고되고 있습니다. 

 

앞으로의 전망

당장은 양자컴퓨터를 사용한 기술개발이나 응용프로그램의 실행은 기대하기 어려우나, 다양한 분야에서 혁신을 가져올 잠재력이 있다는 것만은 확실합니다. 앞으로 양자컴퓨터 기술이 발전하면, 과학, 기술, 사회 전반에 걸쳐 큰 변화를 가져올 것으로 예상됩니다.

 

 

양자 컴퓨터의 주요 난제가 풀려간다?··· 잇달아 등장한 3종의 해법에 쏠리는 관심