기존 컴퓨터는 이진법(0, 1)으로 계산되는 만큼 Data 처리속도가 한계가 있었지만, 양자 컴퓨터(Quantum computer)는 양자 역학 법칙을 이용하여 다차원 처리가 가능한 만큼 복잡한 정보를 쉽고 빠르게 쉽게 해결할 것으로 기대하고 있습니다.
양자 컴퓨터(Quantum computer)란?
양자 컴퓨터란 양자역학 현상을 적용한 기술로 다차원의 Data 처리가 가능함으로써 새로운 계산 방식의 컴퓨터입니다. 하지만 양자 컴퓨터를 이용한 컴퓨팅 기술은 초기단계에 있습니다.
양자 컴퓨터를 이해하기 위해서는 먼저 양자역학의 개념을 이해해야 하는데, 양자 역학을 쉽게 표현하면 전자, 빛, 분자 등의 거의 모든 영역에서 동시에 입자의 움직임을 설명하는 물리학입니다. 따라서 기존의 역학 이론은 더 이상 유효하지 않을 수 있습니다.
고전역학 vs 양자역학
기존의 고전역학과 양자역학으로 물체가 존재하는 것을 설명하면 아래와 같이 정리할 수 있습니다.
기존의 고전역학은 어떠한 물체가 단순 특정시간과 특정 장소에 존재하는 것으로 설명하지만 양자역학의 물체는 특정 시간과 특정장소에 확률적으로 존재한다는 정도의 개념을 가지고 있습니다.
결국 양자 컴퓨터란 수억 개의 트랜지스터를 이용하여 이진법(0과 1) 코드를 사용하는 현재의 컴퓨터와는 다르게 큐비트란 단위를 사용하여 0과 1이 합쳐질 수도 있고 떨어질 수도 있는 중첩의 상태를 갖을 수도 있고 그 큐비트들이 모여 서로 영향을 주고 받는 얽힘의 영향을 줄 수 있는 원리이기 때문에 Data를 다차원으로 처리할 수 있는 컴퓨터 입니다.
이진법 처리 방식과는 다르게 큐비트란 양자 입자의 제어가 양자 컴퓨터의 핵심입니다. 즉 양자 컴퓨터 메모리의 단위는 비트가 아닌 큐비트 혹은 양자비트란 방식을 사용합니다.
따라서 양자 컴퓨터에서 큐비트로 처리함으로써 현존하는 슈퍼컴퓨터로 오랜 기간 계산할 방대한 Data를 단 몇 시간 몇 분만에 Data를 처리할 수 있다고 알려져 있습니다.
양자 컴퓨터의 원리
기존 컴퓨터에 사용되는 0과 1을 나타내는 비트(이진법, 0과 1)는 전류의 물리적인 On/Off 방법을 사용하였습니다. 하지만 양자 컴퓨터에 사용되는 큐비트는 중첩이란 과정과 얽힘이란 정보 처리 과정이 있으며, 이러한 중첩과 얽힘의 특성을 갖는 큐비트는 서로 다른 것을 동시에 나타낼 수 있는 특징이 있습니다.
중첩(Superposition)
- 중첩 프로세스는 두 개 이상의 양자 상태를 추가할 수 있으며 두개 이상의 양자 상태가 합쳐질 수도 있는 원리입니다. 즉 두 가지가 동시에 같은 공간에 있을 수 있으며 서로 영향을 주지 않는다는 가정입니다.
얽힘(Entanglement)
- 얽힘을 간단히 설명하면 전자나 광자와 같은 여러 물질들이 단일 양자 상태로 존재할 수 있다는 개념입니다. 즉, 실타래와 같이 얽혀있는 물체가 하나의 물질로 설명할 수 없는 개념과 유사합니다.
기존 컴퓨터는 모든 정보를 0, 1과 같이 이진법으로 표현하고 0이나 1을 비트라고 합니다. 이때 8개의 비트가 만들어지면 우리가 알고 있는 의미 있는 정보 단위인 byte로 표현합니다. 만약 0~200의 모든 수롤 표현하면 8 비트면 충분합니다.
하지만 양자컴퓨터는 0~200의 모든 수를 동시에 표현할 수 있으며, 이때 8 큐비트면 충분히 표현할 수 있습니다.
이러한 큐비트에 마이크로파 광자를 노출하여 양자 단위의 정보들을 제어함으로써, 결국, 양자 컴퓨터의 메모리 단위인 큐비트의 중첩과 얽힘 특성으로 획기적으로 빠른 Data처리가 가능합니다.
양자 컴퓨터의 응용사례
1. 제약 연구
화학반응으로 인해 상호 작용하는 분자 구조의 모델링을 개발하여 더 나은 예측 데이터를 제공할 수 있을 것입니다.
2. 머신러닝(AI)
직렬방식의 Data처리가 아닌 병렬 방식의 Data 처리가 가능하기 때문에 매우 복합한 빅 데이터를 빠르게 처리하여 최적의 솔루션을 찾을 수 있을 것입니다.
3. 금융 모델링
경제 주기와 자본 이동의 움직임 등을 데이터화하여 좀 더 나은 예측에 도움을 줄 수 있습니다.
4. 사이버 보안 및 암호화
Data 처리 시 암호화된 정보를 사용하고 제공할 수 있기 때문에 사이버 보안 측면에서 강력할 수 있습니다.
5. 배터리의 화학반응 연구
제약 연구와 유사한 방식으로 최적화된 제어를 통해 배터리의 효율을 증가시킬 수 있을 것입니다.
양자 알고리즘을 사용하여 분자와 원자들의 시뮬레이션이 가능하다고 알려져 있기 때문에 양자컴퓨터가 상용화된다면 무궁무진한 활용사례가 실생활에서 적용될 것입니다.
양자 컴퓨터의 한계
작동환경
- 현재까지 기술로는 양자 컴퓨터의 작동 환경은 양자 효과가 나타나는 -273.15도씨의 초저온 환경이 필요합니다.
- 이러한 환경에서 초전도 물질이 임계온도에 도달하면 전자들이 저항 없이 자유롭게 이동할 수 있는데, 그 이유는 전자 사이의 반발력이 감소는 현상이 나타나기 때문입니다.
- 결국 극저온의 환경 구축이 양자 컴퓨터의 한계로 알려져 있습니다.
정보의 오류 제어
- 예를 들면 다양한 빅데이터를 동시에 처리하게 위해서는 정확도 확보가 필연적이며, 더 많은 큐비트를 생성하게 되면 수천 개의 큐비트가 서로의 상호작용을 통해 붕괴, 오류 발생 가능성이 높아집니다.
- 결국 큐비티를 제어할 수 있는 양자 제어 알고리즘이 더욱 필요한 상태가 되기 때문에 오히려 양자 컴퓨터의 한계점으로 다가올 수 있습니다.
- 따라서 정보처리 과정에서 의도하지 않는 결과를 생성할 수 있으며 정교한 양자 제어 알고리즘이 필요합니다.
사이버 보안 문제
- 양자 컴퓨터는 수십 개 이상의 큐비트를 제어할 수 있어야 하기 때문에 전문가들은 현재까지 양자 컴퓨터는 개발 초기 단계로 보고 있습니다.
- 다만, 양자 컴퓨터가 상용화가 된다면 기존 트랜지스터 기반으로 구축된 암호화된 정보들은 안전하지 않을 것으로 보고 있습니다.
미국은 2022년 12월 21일 양자 컴퓨팅 사이버 보안 대비법(Quantum Computing Cybersecurity Preparation Act)을 공시하였으며, 그 내용은 관리 예산처가 포스트 퀀텀 암호화로 전환하라는 내용을 포함하고 있는 만큼 양자 컴퓨터의 상용화를 준비하고 있는 모습을 보이고 있습니다.