양자 컴퓨터의 개념과 잡담

 

오늘은 의료와 병원 이야기가 아닌 제가 관심 있는 양자 컴퓨터에 대해서 살짝 정리하고 공유합니다.

양자컴퓨터가 상용화 된다면 병원과 의료계, 질병의 치료에도 엄청난 영향이 미칠 것입니다.
내용이 너무 방대하기 때문에 일단 가능한 만큼 소개해드리고 다음에 더 이어서 적어 보겠습니다.

물리학의 양자역학은 너무 신기하고 흥미로운 학문 분야입니다.
제가 그 방면으로 아는 것도 없고 공부를 한 적도 없지만 책이나 유튜브에서 접할 때마다 정말 새로운 세상을 보는 듯합니다.
이 세상의 모든 물질을 이루는 최소 단위에서 벌어지는 믿을 수 없는 현상이 우리의 인생과 동양 철학과도 맞닿아 있는 듯한 모습은 어떻게 설명해야 할지 모르겠습니다.
그런 과학 분야가 심지어 너무나 정밀하고 정확한 학문이라는 것도 놀랍습니다.

 

(사진) 디미닛

 

 

 

 

이런 양자역학의 놀라운 성질을 이용해서 작동하는 컴퓨터가 개발되고 있는데 이것이 바로 양자 컴퓨터입니다.

양자 컴퓨터의 가장 큰 특징은 데이터를 저장하는 기본 단위가 '큐비트'라는 것입니다.
컴퓨터는 기본적으로 전기를 사용하여 무엇인가 정보들을 처리합니다.
전기를 통해서 우리가 표현할 수 있는 내용은 결국 전기가 흐르고 있다, 그리고 흐르지 않는다는 2가지 상태뿐입니다.
그래서 컴퓨터는 2진수 숫자를 사용해서 모든 정보를 처리합니다.
우리는 컴퓨터나 스마트폰을 이용해서 노래도 듣고 그림도 보고 영화도 시청하며 문서도 만들지만 내부에서 처리되는 정보는 그저 모두 0과 1로 이루어진 2진수 숫자들일 뿐이며 그것을 우리는 비트(bit)라는 단위로 표현합니다.

그런데 양자 컴퓨터는 '큐비트'라는 새로운 단위를 사용하고 이는 양자역학에서 설명하는 양자의 '중첩'이라는 특이한 성질을 이용합니다.
양자의 중첩은 우리가 세상에서 확인하는 일반적인 물리 법칙과는 너무 다른 내용이고 어려워서 제가 설명하는 것은 패스하겠습니다.
그냥 간단하게 말해서 '모든 것은 확률로 존재한다' 입니다.
어떤 간섭이나 에너지도 없는 상태에서 양자는 확률로 존재하고 양자역학에서는 이것을 '파동함수'라는 공식으로 그 확률을 계산해 냅니다.
다시 '큐비트'로 돌아가서 비트는 0과 1을 가지고 있는 데이터이지만, 큐비트는 어떨까요?
0도 아니고 1도 아닌, 확률로서 값을 가지고 있게 됩니다. 따라서 2개의 정보 중 하나만 저장하는 기존의 비트 단위보다 월등하게 많은 양의 데이터를 가지고 있는 것처럼 처리가 가능합니다.
0과 1이 중첩된 큐비트는 양자 측정에 의해서 0과 1로 붕괴하여 측정되며 0이나 1로 관측될 확률은 큐비트의 중첩된 정도에 따라서 결정되게 됩니다.

무슨 말인지 참 어렵지요;;
제가 적었지만 저게 말인지 방귀인지 모르겠습니다.
하지만 그래서 저는 양자역학을 참 좋아합니다.
신비롭잖아요~ ^^

 

 

 

 

그리고 또 한 가지 중요한 양자역학의 개념이 사용됩니다.
그것은 '양자얽힘'이라고 합니다.
2개 이상의 양자 사이에서 발생하는 특이한 현상으로 서로 연관성이 있는 양자의 쌍이 있다면 한 양자의 상태에 따라서 다른 하나의 양자 상태가 결정되는 것입니다.
이거 참 글로 설명하기가 어렵네요;;
서로 얽혀 있는 큐비트가 있다면 하나의 큐비트 값을 측정하고 나면 그것이 나머지 다른 큐비트의 상태에 영향을 주게 됩니다.

쉽게 컴퓨터에 활용한다고 설명해보면, 양자 얽힘의 큐비트 하나를 보안이 필요한 무결성 데이터 쪽에 넣어두고 다른 하나의 큐비트는 우리가 가지고 있다고 가정해 우리가 가지고 있는 큐비트의 상태를 통해서 암호화된 데이터의 큐비트가 관찰되거나 조회가 됐는지를 알 수 있게 됩니다.
혹은 반대로 우리가 가지고 있는 큐비트를 관찰해버림으로써 암호화 데이터 쪽의 큐비트를 변형시켜서 쓸모없게 파괴해버리는 방식도 가능하겠습니다.
물론 실제 그런 기술이 있는 것은 아니고 그냥 쉽게 설명하려 예시를 만든 것입니다.
^^;

무척 놀라운 점은,
이러한 양자 얽힘 현상은 거의 동시에 발생하며 빛보다 빠르게 전달됩니다.
그것이 어떻게 가능한지는 아직 인류가 이해하지 못했습니다.
양자역학이라는 학문의 전체가 그러하듯이 원리는 알 수 없고 관찰을 통해서 그런 역학적인 관계가 있다는 사실을 확인해서 활용하고 있는 것입니다.
우리가 흔히 알기로는 아인슈타인의 상대성 이론을 바탕으로 빛보다 속도가 빠르게 무언가가 전달되는 것은 불가능합니다.
하지만 너무 작아서 우리가 느끼지도 못하는 양자의 세계에서는 그것이 가능하고, 어떻게 가능한지는 아직 모릅니다.

따라서,
양자컴퓨터는 대량의 데이터를 빠르게 처리할 가능성이 크고, 암호 해독이나 보안 등에 유용하게 활용할 가능성이 큽니다.
범용적으로 사용하는 것은 아직 까마득한 이야기이지만 특정한 분야에 사용되는 전문 컴퓨터나 연구소에서 특정 연구를 위해서 사용하기에는 무척 적당해 보입니다.
기존의 슈퍼컴퓨터와는 다르게 특정한 범위의 알고리즘을 수행하는 목적으로 개발되면 엄청난 성능을 보여줄 것입니다.

 

 

 

 

세계적인 연구소나 구글, IBM, 인텔 등의 글로벌 대기업들이 모두 양자컴퓨터를 연구하고 있습니다.
실제로 작동하는 프로토타입 모델들이 존재하지만 극저온의 상태를 유지하는 특수한 환경에서 작동되고 있다고 하니 일반적으로 구경하기는 어려울 듯합니다.

또한 각국의 정부들도 적극적으로 나서고 있습니다.
미국은 이미 2000년대부터 다양한 연구·개발 프로그램들을 지원하며 연구를 주도하고 있고 중국은 17년도에 13조원을 투자할 정도로 적극적인 지원하고 있습니다.

최신 정보통신 IT 기술과 양자 물리학의 기술 융합을 통한 양자 컴퓨터는 기존 정보처리 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 미래 기술로서 관심이 커지고 있습니다.
인공지능, 빅데이터 등에 적극적으로 활용할 수 있을 것으로 기대되는 양자 컴퓨팅 기술은 대규모 연구 개발이 진행되고 있으며 여러 공학 기술들이 융합되면서 머지않은 미래에 최신 기술의 가장 중요한 핵심이 될 것으로 기대됩니다.

우리나라 역시 놓치지 않고 부지런히 양자 컴퓨터에 대한 연구와 기술 지원을 아끼지 않아야겠습니다.

오늘은 제가 좋아하는 기술에 관해서 이야기 하다 보니 따로 자료를 찾아볼 것도 없이 마구 이야기를 풀어냈는데 하고 싶은 말의 10%도 못한 거 같아서 아쉽습니다.

다음에 공유할 내용이 없으면 다시 한번 이야기하고 싶네요~