양자컴퓨터, 인류 문명의 새로운 길 열까
인류는 전자를 발견하고 이용가능하게 되면서 놀라운 문명의 발전을 이뤘습니다. 20세기 인류가 만들어낸 발전은 그 이전의 수십만년의 발전을 뛰어넘는 엄청난 발전이었습니다. 그리고 전자를 활용한 계산기, 컴퓨터의 개발은 인류의 정보 처리 속도를 그 전과는 비교할 수 없을 정도로 빠르게 만들었습니다.
그리고 인류는 컴퓨터의 패러다임 변화를 위해서 양자역학을 활용한 '양자 컴퓨터'를 개발하고 있습니다. 오늘은 완벽하지는 않지만 문송한 오카의 양자컴퓨터 공부를 진행해보겠습니다.
◆양자 중첩과 얽힘, 결맞음
양자컴퓨터는 기본적으로 양자 중첩, 얽힘, 결맞음 등의 효과를 활용해 계산하는 컴퓨터입니다. 그래서 먼저 양자 중첩과 얽힘, 결맞음 등에 대해서 알아봤습니다.
양자 중첩 : 양자 중첩은 물체나 입자는 '관측'하기 전에는 서로 다른 상태가 동시에 존재한다는 개념입니다. 무슨 말인가 싶습니다. 양자 중첩과 관련해 가장 대표적인 사고실험이 '슈뢰딩거의 고양이'입니다. 아인슈타인과 함께 양자역학에 대해서 부정적인 의견을 가지고 있던 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석에 반박하기 위해 1935년 이 사고 실험을 고안했습니다.
슈뢰딩거의 고양이 실험은 이렇습니다.
고양이 한 마리가 철로 된 상자 안에 갇혀있습니다. 상자 안에는 방사선을 검출할 수 있는 가이거 계수관과 한 시간 동안 한 개의 원자가 붕괴할 확률과 붕괴하지 않을 확률이 50%로 같은 미량의 방사선 원소가 있습니다. 그리고 독약이 가득 든 유리병과 그 병을 깰 수 있는 망치와 스위치 등이 달려있습니다.
실험 방식은 간단합니다. 만약 한 시간이 지나 원자가 붕괴해 방사선이 방출됐다면 가이거 계수관이 이를 감지하고 스위치를 작동, 망치로 독병을 깨게됩니다. 그러면 고양이는 죽게될 겁니다. 반대로 붕괴하지 않는다면 고양이는 살아있게 됩니다.
그렇다면 우리는 어떻게 고양이가 죽은지 산지 알 수 있을까요. 네 맞습니다. 관측을 해야합니다. 근데 여기서 양자역학의 기초가 된 코펜하겐 해석에서는 관측 전에는 '고양이가 죽은지 산지 알 수 없다. 관측했을 때 비로서 상태가 결정된다'과 말합니다. 사실 무슨 말인지 이해가 되지 않습니다만 그렇다고 합니다. 즉 고양이가 산 상태와 죽은 상태가 중첩돼 있다고 하는 것이 '양자 중첩' 이겠습니다.
그렇다면 얽힘은 무엇일까요. 우리는 앞에서 중첩을 알았습니다. 그렇다면 양 손에 0과 1이 중첩된 원자 A와 B, 2개가 있다고 해봅시다. 그리고 이 두 원자를 얽힘 상태로 만듭니다. 우리는 A원자와 B원자의 값을 알 수 없습니다. 관측을 하는 순간 상태가 확정되기 때문입니다. 얽힘 상태에 있는 두 원자는 하나의 상태에 따라 나머지 하나의 상태가 결정됩니다. 만약 A원자를 관측했는데 0이었다면 B원자는 보지 않고도 1임을 알 수 있습니다. 이게 얽힘이라고 합니다.
그럼 결맞음은 무엇일까. 원자는 파동상태로 존재합니다. 관측하면 확인이 가능한 상태가 되는 것입니다. 여기서 주목할 건 파동상태라는 것입니다. 밑에는 직접 만들어본 결맞음 상태와 관련된 예시 이미지입니다. 저렇게 파동이 상태가 같아 잘 맞으면 결이 맞다. 그렇지 않다면 깨졌다라고 볼 수 있습니다.
◆그래서 양자컴퓨터는 뭘까
그러면 이렇게 양자컴퓨터에 주로 활용되는 개념을 알아봤습니다. 양자컴퓨터를 알아보기 전 컴퓨터의 개념을 한 번 알아보고 가겠습니다. 컴퓨터는 0,1 즉 2진법으로 수를 계산할 수 있는 계산기입니다. 그리고 현재의 컴퓨터는 전자기술을 활용합니다. 바로 반도체입니다. 우리가 사용하는 컴퓨터의 계산 방식은 단순합니다. 전류를 흐르게 하고 전류를 끊었다가 연결했다는 반복하는 것입니다. 끊으면 0, 연결하면 1로 계산하는 것입니다.
일반 컴퓨터는 몇 가지 작동 방식을 통해 사칙연산에 특화된 성능을 발휘합니다. 실제로 양자컴퓨터보다 사칙연산에 있어서 만큼의 현재의 컴퓨터가 더 좋은 성능을 발휘한다고 합니다.
양자컴퓨터는 원자, 초전도체, 빛, 자석 등 다양한 방식으로 작동됩니다. 그리고 암호 해독이나 시뮬레이션 등에 특화된 능력을 가지고 있고 관련된 계산에서는 일반 컴퓨터가 수천, 수만년이 걸릴 것을 단 몇초 만에 풀어낼 수도 있습니다.
현대 암호는 소인수 분해가 어렵다는 것에서 시작합니다. 소인수 분해는 50은 A X B라고 할 때 A와 B를 구하는 것입니다. 자리수가 적을 때는 쉽지만 이 숫자가 커지면 난이도가 기하급수적으로 높아집니다. 일반 컴퓨터는 이를 하나하나 계산해서 풀기때문에 엄청난 기간이 소요되고 그렇다보니 현재의 암호 체계가 유지되는 것입니다.
하지만 이런 소인수 분해도 쉽게 풀이할 수 있는 알고리즘이 존재한다고 합니다. 주기를 구해서 문제를 푸는 방법입니다. 현재의 컴퓨터는 100자리 이상의 수의 주기를 구하는데 100만년씩 소요된다고 합니다.
그렇다면 양자컴퓨터와 일반컴퓨터의 가장 큰 차이는 무엇일까. 일반컴퓨터는 모든 계산을 일일히 다 해보고 거기서 답을 찾아냅니다. 반대로 양자컴퓨터는 상태가 중첩돼 있기 때문에 모든 상황이 동시에 벌어지고 내가 원하는 답이 나올 수있도록 설정한 뒤 기다리면 툭 튀어나온다는 것입니다.
예를 들어 미로의 출구를 찾는다고 하면 일반컴퓨터는 모든 길을 한번씩 다 가보면서 해결하지만 양자컴퓨터는 모든 상태를 두고 계산해서 그 중에서 내가 원하는 답을 관측할 수 있게끔 알고리즘을 만들어 계산해냅니다. (어렵습니다...네 무슨 말인지 지금도 햇갈립니다...)
그렇다면 양자컴퓨터는 어느 부분에 강점이 있을까. 시뮬레이션 부분이라고 합니다. 엄청나게 많은 경우에 수 중 가장 최적화된 것을 찾아내는데 압도적인 계산 능력을 가지고 있기 때문입니다. 그렇기 때문에 수많은 경우의 수를 계산해야하는 신약 개발 등에 엄청난 이용가치가 있을 것으로 보입니다.
양자컴퓨터는 지금 미국과 유럽 등에서 개발을 주도하고 있습니다. 한국에는 아이온큐, 퀀티넘 등이 잘 알려져있습니다. 중국에서도 오리진 퀀텀이라는 양자컴퓨터 기업이 초전도체를 활용한 3세대 양자컴퓨터 손오공을 개발, 가동을 시작하기도 했습니다.
앞으로 양자컴퓨터가 어떻게 개발되고 이용될지 주목해볼 필요가 있겠습니다.