양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 상상할 수 없을 만큼 빠른 계산 수행을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 다만 아직까지는 여러 가지 한계점에 노출되어 있으며, 이를 위해 개선이 필요한 것도 사실입니다.
양자 컴퓨터 작동 원리
양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 빠르게 계산할 수 있다고 알려져 있지만 여러 가지 어려운 한계에 부딪혀 있으며 그 양자 컴퓨터는 크게 2가지 방식으로 민간영역에서 개발되고 있습니다.
바륨 이온을 제어하여 활용하는 이온트랩 방식과 초전도체(절대온도 -273도씨에서 저항이 0이 되는 물질)를 제어하여 활용하는 초전도체 방식으로 나뉘고 있죠.
이렇게 양자 컴퓨터의 작동 방식에 대한 개념을 이해하면 왜 양자 컴퓨터가 한계에 부딪혀 있는지 자세히 알 수 있습니다.
| 구분 | 이온트랩 방식 | 초전도체 방식 |
| 큐비트 구현 | 이온의 에너지 준위 또는 스핀 상태 | 초전도 회로의 에너지 준위 |
| 작동방식 | 진공 상태에서 전기장 혹은 자기장을 이용하여 이온을 가둬놓고 제어하는 방식 | -273도씨의 제어 환경에서 마이크로웨이브 펄스를 이용하여 초전도 회로를 제어하는 방식 |
| 장점 | 높은 정밀도, 낮은 오류율 | 높은 계산 속도 |
| 단점 | 큐비트 확대 어려움, 높은 실험 비용 | 절대온도의 제어 환경 구축 어려움 높은 오류율 |
| 활용분야 | 정밀 측정, 신약 개발, 화학 시뮬레이션 | 인공지능, 암호해독, 금융 분석 |
| 주요 기업 | IonQ, Honeywell, Trapped Ion Quantum Computing | IBM, Google, MS, Rigetti Computing |
큐비트는 백터로 표현될 수 있으며, 백터의 방향은 0과 1 상태의 확률을 나타낼 수 있습니다. 예를 들면, 벡터가 x축과 45도 각도를 이류면 0과 1 상태의 확률이 각각 50% 인 것이죠. 따라서 큐비트를 레이저 펄스나, 전자기장 등을 이용하여 제어하면 0과 1 상태의 확률을 바꿀 수 있는 것입니다.
이러한 큐비트를 연결하면 양자 얽힘이란 특징이 발생되는데, 한 큐비트의 상태를 바꾸면 다른 큐비트의 상태도 바뀌게 되기 때문에 많은 큐비트를 연결시켜 기존 컴퓨터로 불가능한 계산을 해낼 수 있는 것이죠.
결국 이러한 원리로 큐비트를 제어하여 기존 컴퓨터보다 빠르고 복잡한 계산을 해낼 수 있습니다.
양자 컴퓨터 한계
기존 컴퓨터와 다르게 작동되는 양자컴퓨터는 기술적, 물리적, 경제적, 윤리적 한계가 있습니다.
기술적 한계점
현존하는 양자 컴퓨터의 기술은 수십 혹은 수백 개의 큐비트만 구현되고 있습니다. 즉, 오류 없이 계산을 수행하려면 수백만 개 이상의 큐비트가 필요합니다.
물리적 이온을 제어하는 방식과 초전도체 환경을 구축하여 큐비트를 제어하는 초전도체 방식이기 때문에 외부 환경에 매우 민감합니다. 따라서 오류율이 높아질 가능성이 높으며 오류율을 낮추기 위한 기술 개발이 추가로 필요합니다.
초전도체 방식의 양자 컴퓨터는 물리적으로 매우 낮은 온도(절대 영도 -273도)를 유지할 수 있는 제어 환경을 구축해야 합니다. 따라서 기존 컴퓨터처럼 집에서 사용할 수 없으며 비용이 굉장히 높은 것이 한계로 남아 있습니다.
또한 일부 계산 문제는 양자 컴퓨터에서도 연산이 매우 길 수 있습니다. 따라서 양자 컴퓨터 전용 알고리즘 개발이 필요합니다.
물리적 한계점
양자 얽힘은 양자 컴퓨팅의 핵심 기술이지만 매우 민감한 제어를 필요하기 때문에 외부 환경에 의해 쉽게 파괴됩니다. 따라서 양자 얽힘을 유지하는 기술 개발이 필요합니다.
오류율을 낮추기 위해 큐비트 수를 늘려야 하지만 기술적으로 매우 어렵습니다.
그 이유는 양자 결맞음 시간을 더 길게 유지해야 하는데 그 의미는 두개 이상의 큐비트가 서로 한몸처럼 연결된다는 뜻이죠. 결국 기존의 물리 법칙과 다르게 움직여야 하기 때문에 제어하는 측면에서 매우 어렵습니다.
경제성 한계
한대에 몇 백억 씩 하는 비용 때문에 일반인들은 사용할 수 없으며 막대한 비용이 필요합니다.
윤리적 한계
양자 컴퓨터를 접목한 인공지능 기술은 얼마만큼 성장할 지 아무도 예측할 수 없기 때문에 인간에게 어떠한 윤리적인 문제를 야기시킬수 있을지 알 수 없습니다.
또한 양자 컴퓨터로 현존하는 인터넷 암호 시스템을 쉽게 해독할 수 있는 잠재력을 지니고 있기 때문에 글로벌 금융시스템, 개인 정보 등의 문제점들을 야기 시킬 수 있습니다. 따라서 새로운 암호 시스템 개발이 필요합니다.
양자 컴퓨터는 실로 막대한 잠재력을 가진 기술이지만 여러 가지 한계에 부딪쳐 있는 점도 사실입니다. 다만 이러한 한계점들이 극복되고 문제점들이 개선된다면 다양한 분야에서 활용될 것으로 보고 있습니다.