양자 컴퓨터(Quantum Computer)는 기존의 고전적인 컴퓨터와는 완전히 다른 원리로 작동하는 차세대 컴퓨터이다. 일반 컴퓨터와 어떻게 다르길래 소란스럽게 이슈가 되었을까? 또 어떻게 다르길래 상용화가 어려운 걸까?
관심 없는 분야라면,
양자 컴퓨터의 동작 원리를 깊이 이해하기 어렵다. 양자역학 자체를 이해해야 하기 때문이다.
하지만, 대충 어떻게 생겨먹은 컴퓨터인지 알아본다면, 오히려 신기하고 재미있는 게 양자 컴퓨터이다.
양자 컴퓨터를 알기 전에, 우리가 지금까지, 양자 컴퓨터 이전까지 사용하던 컴퓨터가 어떤 방식으로 동작하는지 살펴볼 필요가 있다.
컴퓨터가 전기로 돌아가는 전자기기, 전기로 돌아가는 계산기라는 것은 다들 알고 있을 것이다. 그리고, 수많은 반도체가 연결되어 있고, 그 반도체에 전기 신호를 주면 컴퓨터가 동작을 한다.
1번 칩에 전기가 들어오면 1, 안 들어오면 0, 2번 칩에 전기가 들어오면 1, 안 들어오면 0.
이런 식으로 0과 1로 데이터를 표현한다.
쉽게 얘기해서 칩 2개로, 00, 01, 10, 11의 4가지 상태를 만들 수 있는 것이다. 이러한 칩과 전기신호가 무수히 많아지면,
1010101100101010111010101....10101010010111011111010100101010과 1의 데이터들이 만들어지고, 이 데이터에 의미부여를 해서 동작하는 것이 양자 컴퓨터가 아닌 모든 컴퓨터의 동작 방식이다.
칩 하나에 0과 1이 표현될 수 있으므로, 2가지를 표현할 수 있다. 이 한 가지 상태를 1bit라고 하며, 1bit는 0과 1을 나타낼 수 있다.
단위로 1 Byte는 8 bit를 의미하고, 1 KByte는 1,024 Byte, 1 MByte는 1,024 KByte, 이런 식으로 GB, TB, PB, EB, ZB, YB의 단위가 만들어져 있다.
1 TB(테라 바이트) 메모리가 있다. 이는 약 1조 바이트이며, 8조 비트라고 계산한다면, 1TB 메모리에는 8조 개의 상태를 구분할 수 있는 반도체가 들어가는 것이다. 그 작은 디스크, 메모리에 말이다.
아무리 기술이 발전해도, 칩이 작아지고 정밀해지는 데는 한계가 있어 보인다. 그렇다면 어떻게 하면 이 성능을 더 올릴 수 있을까?
하나의 칩을 지금 보다 더 작게, 더 이상 나눌 수 없는 원자(양자) 단위까지 줄일 수 있을까?- 하나의 칩이 2개가 아닌 더 많은 상태를 처리할 수 있다면?
아마도 양자 컴퓨터는 이러한 질문에서 시작되었을 것이다.
일반 컴퓨터가 Bit(0, 1)라는 단위를 사용한다면, 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit)라는 단위를 사용한다.
큐비트는 0과 1을 동시에 표현할 수 있는 상태를 가질 수 있어 병렬적인 연산이 가능해진다.
양자 컴퓨터는 중첩(Superposition) 상태와, 얽힘(Entanglement) 상태를 가진다. 이게 무엇인지 이해하는 것이 쉽지 않다.
중첩이 무엇일까?
일반 컴퓨터는 한 번에 0 또는 1의 상태만 가질 수 있다. 전기가 들어왔으면 1이고, 아니면 0이니까.
하지만, 양자 컴퓨터의 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다.
하나의 비트는 0 또는 1, 2가지를 표현하지만,
하나의 큐비트는 0, 1, 0이지만 1에 가까운 0, 1이지만 0에 가까운 1이라는 표현이 가능해진다. (엥?)
더 쉽고 단순하게 예를 들자면, 0.3일 수도 있고, 0.7 일수도 있는 어중간한 상태가 되는 것이다.
말 그대로 0과 1이 중첩되어 어중간한 상태를 중첩이라고 한다.
얽힘은 무엇일까?
두 개 이상의 큐비트가 강하게 연결된 상태를 말한다. 얽힌 큐비트는 거리에 상관없이 하나의 시스템처럼 동작한다.
한 큐비트의 상태를 측정하면, 다른 큐비트의 상태가 결정된다. (엥?)
실제 양자 얽힘 현상에 대한 극단적인 예를 들어보자.
지구의 돌멩이 하나와 토성의 돌멩이 하나가 얽혀있다고 가정해 본다.
지구의 돌멩이가 깨지면, 그 순간 토성의 돌멩이도 깨져있는 상태가 된다.
...
과학 원리가, 실제로 양자의 특성이 그렇다.
이러한 중첩과 얽힘을 이용하면, 병렬적인 처리, 마치 아날로그와 같은 처리, 복잡한 연산을 수행할 수 있게 된다.
다시 정리하면, 양자의 중첩 특징을 이용해 하나의 큐비트의 상태가 중첩되어 표현할 수 있는 상태가 2개 이상이라는 점, 양자의 얽힘 특징을 이용해 서로 다른 큐비트의 상태를 다양하게 처리할 수 있다는 점이 양자 컴퓨터의 핵심 원리이다.
이해하기 어려운 중첩과 얽힘을 이용한 양자컴퓨터로는 뭘 할 수 있을까?
이 중첩과 얽힘을 이용하면, 기존의 슈퍼 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산을 수행할 수 있다.
대표적으로 언급되는 것이 암호 해독과 보안 분야이다.
현재 사용되는 암호체계 중 RSA 암호화 방식은, 큰 수의 소인수분해가 어렵다는 점을 이용한다. 하지만 양자 컴퓨터는 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm)을 이용하면, 소인수분해가 어렵다는 점을 빠르게 해독할 수 있게 된다.
당연한 얘기지만, 이에 대응해서 새로운 양자 암호 기술이 개발되고 있다.
물류, 금융, 인공지능 등의 분야에서도 양자 컴퓨터가 응용될 수 있다. 그로버 알고리즘(Grover's Algorithm)과 같은 기법을 활용하면, 기존 컴퓨터로 해결하기에는 너무나 복잡해 가장 최적화된 답을 찾기 어려운 문제를 빠르게 해결할 수 있게 된다.
분자 자체의 구조를 시뮬레이션하는 것도 양자 컴퓨터에 최적화되어 있다. 이렇게 미세한 입자의 움직임이나 구조를 시뮬레이션할 수 있어서 신약 개발이나 새로운 재료 연구에도 혁신적인 기여를 할 수 있게 된다.
2025년.
지금의 양자컴퓨터는 새로운 뉴스가 매일 쏟아지면서 발전을 거듭해나가고 있지만, 아직 초기 단계로 상용화 연구에 힘을 기울이고 있다.
큐비트는 양자의 특성을 그대로 이용하기 때문에, 외부 환경에 매우 민감하여 쉽게 변화(오류)가 발생할 수 있고, 오류를 해결하기 위한 양자 오류 정정(Quantum Error Correction) 기술이 연구되고 있다. (우리가 쓰는 기존의 컴퓨터에서 조차 비트를 이용해 오류를 검사하고 정정까지 해주는 기술이 있다.)
실용적인 문제 해결을 위해서는 수백만 개의 큐비트를 이용한 프로그래밍을 해야 되는데, 현재의 양자 컴퓨터는 수십에서 수백 개의 큐비트만을 다루고 있고, 이 큐비트의 숫자가 더 많다고 경쟁하는 시기이다. 실용성을 갖춘 양자 컴퓨터가 갖추어지도록 하드웨어를 개발하는 것도 중요한 과제 중 하나이다.
양자 컴퓨터가 상용화되었다고, 백만 코어 CPU, 수십 테라 RAM을 장착한 것처럼 속도와 공간이 월등히 빨라지는 형식이 아니다. 양자 컴퓨터는 양자의 특성(중첩, 얽힘)을 이용해 특정 문제에서 엄청난 연산 속도를 제공할 수 있는 기술이 핵심이다.
일반 PC를 쓰듯이 양자 컴퓨터를 쓰고자 한다면, 컴퓨터에 외장하드를 달듯이, 양자 컴퓨터를 일반 PC에 연결하는 느낌으로까지 발전이 되어야 할 것이다.
따라서, 양자 컴퓨터가 상용화되고, 일반인도 다룰 수 있게 되려면, 생각 보다 더 많은 시간이 필요할 수도 있다.
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