양자 컴퓨터
양자 컴퓨터(quantum computer)는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 자료를 처리하는 컴퓨터이다. 또한 그러한 과정을 양자 컴퓨팅(quantum computing)이라고 하는데, 양자 컴퓨팅은 컴퓨터 과학, 물리학, 수학의 여러 측면으로 이루어진 종합적 분야로서 양자역학을 활용해 기존의 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 문제를 해결할 수 있다.
이론적으로 현존 최고의 슈퍼 컴퓨터가 수백 년이 걸려도 풀기 힘든 문제도 단 몇 초 이내의 어마어마한 속도로 빠르게 풀 수 있을 것으로 전망되고 있다. 특히 이런 무궁무진한 기술 때문에 군사적 이용 가치가 커서 미중 패권 경쟁에서도 주요 분야로 자리매김하고 있다.
|양자 컴퓨터의 역사
리처드 파인만과 윌즈(Richard Feynman and Willis, 1981년): 양자 컴퓨터의 개념을 처음으로 제시.
알렉세이 키타예프(Alexei Kitaev, 1997년): 위상 양자 컴퓨터를 제안.
찰스 베넷과 유리 이바노비치 마닌(Charles Bennett and Yuri Ivanovich Manin, 1980년대): 최초로 양자 컴퓨터를 구상.
데이비드 도이치(David Deutsch, 1990년대): 양자 컴퓨터의 실질적인 작동 원리를 고안.
이후 IBM, 구글 등의 기업들이 양자 컴퓨터 개발에 참여하면서 발전하고 있다.
|양자 컴퓨터의 원리
양자 컴퓨터는 원자 및 전자와 같은 작은 입자가 어떻게 행동하는지 설명하는 물리학의 한 분야인 양자 역학의 원리를 사용하는 컴퓨터이다. 기존 컴퓨터에서는 비트를 사용하여 0 또는 1일 수 있는 정보를 저장하고 처리하지만, 양자 컴퓨터에서는 양자역학의 중첩이라는 성질을 이용하여 0과 1을 동시에 나타낼 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 사용한다.
중첩은 고전 물리학의 파동처럼 두 개 이상의 양자 상태를 추가할 수 있으며 그 결과는 또 다른 유효한 양자 상태가 괼 수 있고, 반대로 모든 양자 상태를 둘 이상의 다른 별개의 상태의 합으로 나타낼 수도 있다는 원리이다. 큐비트의 이러한 중첩은 양자 컴퓨터에 고유의 병렬성을 부여하여 수백만 개의 작업을 동시에 처리할 수 있게 한다.
또 양자컴퓨터에서는 양자역학의 얽힘이라는 원리를 이용하는 데, 이 얽힘은 두 입자를 일정한 양자상태에 두고 두 입자의 스핀이 반대가 되도록 만들면 두 입자의 상태는 측정하기 전까지는 알 수가 없지만, 측정을 한다면 그 순간 한 입자(계)의 상태가 결정이 되고 이는 즉시 그 입자와 얽혀 있는 다른 입자(계)의 상태까지 결정하게 된다는 원리이다.
양자 얽힘은 양자 컴퓨터가 복잡한 문제를 더 빨리 해결할 수 있게 해 준다. 그런데 현재 양자 컴퓨터의 문제점 중의 하나는 극저온에서 작동시켜야 한다는 것이다.
|양자 컴퓨터를 극저온에서 작동시켜야 하는 이유
1. 양자 결어긋남 방지: 양자 컴퓨터는 양자의 일관성이 유지돼야 하기 때문에 양자 결맞음은 양자 컴퓨터의 실질적인 실현에 대한 중요한 요소인데, 극저온에서는 환경 결맞음 감소를 줄일 수 있어 양자 컴퓨터의 성능을 향상 시킬 수 있다.
2. 안정성 향상: 극저온에서는 작은 섭동 때문에 꼬임의 위상수학적 성질이 바뀌지 않기 때문에 극저온에 의해 안전성을 유지 시켜야 한다.
3. 연산 속도 향상: 극저온에서는 양자 컴퓨터의 연산 속도가 더 빨라진다.
4. 에너지 효율성 향상: 극저온에서는 에너지 효율성이 더 높아지기 때문에 양자 컴퓨터의 에너지 소비를 줄일 수 있다.
5. 양자 얽힘 현상 구현: 극저온에서는 양자 얽힘 현상을 구현하기가 더 쉬워진다.
이러한 이유들 때문에 양자 컴퓨터를 극저온에서 작동시키는 것이 중요합니다. 하지만 최근에는 상온에서도 작동할 수 있는 양자 컴퓨터를 개발하기 위한 연구가 진행되고 있으며, 상온에서도 대규모 양자 얽힘 현상을 구현할 수 있는 양자 소재 후보 물질을 확인하는 등의 성과가 나타나고 있다.
|일반 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 자세한 비교 분석
일반 컴퓨터와 양자 컴퓨터는 기본적으로 정보를 처리하고 계산하는 데 사용되지만 그 동작 방식과 능력 면에서 상당한 차이가 있다.
동작 원리
일반 컴퓨터: 일반 컴퓨터는 이진 시스템을 사용하며, 데이터는 0과 1로 표현된다. 전자 회로를 사용하여 연산이 이루어지며, 프로세서는 연산을 순차적으로 수행한다.
양자 컴퓨터: 양자 컴퓨터는 양자 비트 또는 큐비트라고 불리는 양자 상태를 이용하여 정보를 처리한다. 양자 상태의 특성으로 인해 병렬 연산 및 얽힘(Entanglement)을 활용할 수 있어 일부 문제에서 지수적으로 빠른 계산이 가능하다.
연산 능력
일반 컴퓨터: 복잡한 문제를 해결하기 위해 연산량이 많은 경우 시간이 오래 걸릴 수 있다. 병렬 처리를 활용할 수 있지만, 양자 컴퓨터와 같은 높은 차원의 병렬 처리 능력을 가지고 있지는 않다.
양자 컴퓨터: 양자 컴퓨터는 특정 문제에서 뛰어난 계산 능력을 제공할 수 있으며, 양자 병렬성을 활용하여 복잡한 문제를 효율적으로 해결할 수 있다. 이로 인해 암호 해독, 최적화 문제, 화학 및 물리학 시뮬레이션 등 다양한 분야에 활용 가능하다.
오류 처리
일반 컴퓨터: 일반 컴퓨터는 논리적인 오류를 최소화하기 위한 오류 검출 및 수정 메커니즘을 갖고 있다. 하드웨어 및 소프트웨어 수준에서 안정성이 높다.
양자 컴퓨터: 양자 컴퓨터는 양자 상태의 민감성으로 인해 노이즈와 오류에 민감하다. 양자 에러 수정 코드 및 오류 감지 및 수정 기술을 개발하는 연구가 진행 중이지만, 아직 까지 완전한 안정성을 확보하기 어려운 부분이 있다.
응용 분야
일반 컴퓨터: 데이터 처리, 웹 브라우징, 문서 편집, 게임 및 일반적인 컴퓨팅 작업에 사용된다.
양자 컴퓨터: 양자 컴퓨터는 암호 해독, 빅데이터 분석, 최적화 문제 해결, 양자 화학 및 물리학 시뮬레이션, 인공 지능 및 기계 학습 등과 같이 복잡하고 연산 집약적인 문제에 적합하다.
요약하면, 양자 컴퓨터는 특정 유형의 문제에 대해 뛰어난 성능을 발휘할 수 있지만, 아직 실험적이며 미성숙한 기술이다. 일반 컴퓨터는 일상적인 작업 및 일반적인 컴퓨팅 용도에 적합하며, 미래에 양자 컴퓨터가 보다 일반적으로 사용되기 위해서는 기술적인 진보와 안정성 개선이 필요하다.
|양자 컴퓨터의 이용 분야
1. 금융: 금융 분야에서는 양자 컴퓨터를 이용하여 복잡한 금융 계산을 빠르게 수행할 수 있다.
2. 보안: 보안 분야에서는 양자 컴퓨터를 이용하여 암호화 기술을 해독할 수 있다.
3. 인공지능: 인공지능 분야에서는 양자 컴퓨터를 이용하여 인공지능 학습 및 추론 속도를 향상시킬 수 있다.
4. 항공우주: 항공우주 분야에서는 양자 컴퓨터를 이용하여 항공우주 설계 및 시뮬레이션을 빠르게 수행할 수 있다.
5. 재료공학: 재료공학 분야에서는 양자 컴퓨터를 이용하여 재료공학 연구 및 개발을 빠르게 수행할 수 있다.
그 밖에도 수많은 분야에서 양자 컴퓨터를 이용하여 나는 발전을 이룩할 수 있는 바탕이 되는 것이다.
|양자컴퓨터의 실용화와 그 미
양자컴퓨터의 실용화는 현재의 컴퓨터로는 풀 수 없는 사회 과제를 해결할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있지만, 연구가 진전됨에 따라 기술 개발이나 사업화의 어려움을 알게 되었다.
미국 가트너가 매년 작성하고 있는, 기술의 성숙도와 사회 적용도를 나타내는 ‘하이프 사이클’에서는 2019년에 ‘양자컴퓨터’가 최고점에 도달한 이후 하락하고 있어 실용화에 신중한 견해가 확산되고 있다.
구글은 2019년 세계 최초로 슈퍼컴퓨터조차 풀기 어려운 문제를 자사의 53-큐비트 시커모어 양자 프로세서를 이용해 해결했는데, 이를 통해 양자컴퓨터의 실용화에 대한 기대감이 높아졌다.
기업들은 양자 컴퓨팅을 여러 분야에서 활용하고 있는데 양자 컴퓨팅은 산업혁명을 불러올 수도 있다.
머신 러닝(기계 학습, machine learnning)은 방대한 양의 데이터를 분석하여 컴퓨터가 더 나은 예측과 결정을 내리는 과정인데, 양자 컴퓨팅을 적용함으로써 더 많은 자료와 매우 빠른 속도로 처리함으로써 물리적 한계를 극복할 수 있다.
양자 컴퓨팅은 복잡한 공정에서 경로 계획과 같은 요소를 최적화하여 제조 공정 관련 비용을 절감하고 사이클 시간을 단축 할 수 있다. 또 금융 기관이 자본을 확보하고 금리를 낮추며 상품을 개선할 수 있도록 대출 포트폴리오를 양자 최적화할 수 있다.
또한 양자 컴퓨팅은 물질의 분자와 원자 구조를 분석하거나 여러 가지 분야에서 많은 시간을 필요로 하는 시뮬레이션 작업을 짧은 시간에 해낼 수 있는 혁신을 가져올 수도 있다.
|글을 마치며…
만일 양자 컴퓨터가 실용화된다면 우리 생활에서 많은 변화가 있을 것이 틀림없고 과학기술 발전에 큰 공헌을 할 것이다. 머지않은 미래에 양자 컴퓨터는 우리의 생활을 혁신적으로 바꾸는 밑 바탕이 될 것이 틀림없다.
그러기 위해서는 초전도 기술이나 그 밖의 양자 컴퓨터에 관련된 기술들이 함께 발전해야 한다. 만일 휴대폰 크기의 양자 컴퓨터가 만들어진다면 어떤 일 이 벌어질지 상상하면서 글을 마친다.