1. 한계에 다다르고 있는 현대의 컴퓨터
우리가 평소 사용하는 PC부터, 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 ‘후가쿠’에 이르기까지, 모든 고전적 컴퓨터는 ‘비트(Bit)’ 라는 단위로 정보를 처리하고 있습니다. 비트는 스위치의 ‘켜짐(1)’ 또는 ‘꺼짐(0)’ 중 어느 한쪽의 상태만 가질 수 있습니다. 복잡한 계산도, 거대한 이미지도, 모두 이 ‘0과 1의 방대한 나열’로서 순차적으로 처리되고 있습니다.
하지만, 반도체의 미세화가 원자의 크기에 가까워지고 있는 현대, ‘무어의 법칙(반도체 성능 향상)‘은 물리적인 한계(양자 터널 효과에 의한 전류 누설 등)에 직면하고 있습니다. 이 한계를 돌파하기 위해, 전혀 다른 물리 법칙을 사용하여 계산을 수행하려는 접근이 ‘양자 컴퓨터’ 입니다.
2. 양자역학의 마법 ‘중첩’
양자 컴퓨터의 최소 단위는 ‘비트’가 아니라 ‘양자 비트(Qubit: 큐비트)’ 라고 불립니다. 양자 비트의 가장 큰 특징은, 양자역학의 ‘중첩(Superposition)’ 이라는 성질을 이용하고 있다는 점입니다.
고전 비트가 ‘0’ 또는 ‘1’ 어느 한쪽 으로 확정되어 있는 반면, 양자 비트는 ‘0이면서 동시에 1이기도 하다’는 애매한 상태(확률적인 중첩) 를 동시에 유지할 수 있습니다.
- 2비트의 고전 컴퓨터가 한 번에 표현할 수 있는 것은 ‘00, 01, 10, 11’ 중 1가지 뿐입니다.
- 하지만, 2개의 양자 비트를 사용하면, 이 4가지 모든 상태를 동시에 가지게 할 수 있습니다.
이것이 300 양자 비트가 되면, 우주에 존재하는 원자의 수보다 많은 상태(2의 300제곱)를 순식간에 동시에 계산할 수 있게 됩니다. 양자 컴퓨터의 압도적인 계산력(양자 병렬성)의 원천이 바로 여기에 있습니다.
3. 아인슈타인도 고민하게 만든 ‘양자 얽힘’
또 다른 중요한 양자 현상이 ‘양자 얽힘(Entanglement)’ 입니다. 이는, 2개의 양자 비트가 강한 유대로 맺어져, 아무리 멀리 떨어져 있어도 ‘한쪽의 상태가 관측되어 확정되면, 다른 한쪽의 상태도 순식간에 확정된다’는 기묘한 현상입니다.
양자 컴퓨터 안에서는 이 ‘양자 얽힘’을 이용하여 여러 양자 비트를 연계시키고, 복잡한 계산 알고리즘(간섭)을 실행합니다. 계산의 마지막에 ‘관측’을 수행함으로써, 불필요한 해답(확률의 파동)은 서로 상쇄되고, 올바른 해답의 확률만이 증폭되어 출력되는 구조로 되어 있습니다.
4. 양자 컴퓨터는 무엇을 잘할까?
양자 컴퓨터는 만능 마법 상자가 아닙니다. 웹 서핑이나 동영상 편집 같은 일상적인 작업은 현재의 컴퓨터가 훨씬 더 잘합니다. 양자 컴퓨터가 특기로 삼는 것은, ‘방대한 조합 중에서, 최적의 해답을 탐색하는 문제’ 입니다.
기대되는 분야
- 신약·신소재 개발 : 분자나 화학 반응 자체가 양자역학적인 움직임을 보이기 때문에, 약의 시뮬레이션을 매우 정확하고 빠르게 수행할 수 있습니다.
- 최적화 문제 : ‘수천 대의 트럭이 가장 효율적으로 배달할 수 있는 경로’나 ‘금융 상품의 최적 포트폴리오’ 등, 변수가 너무 많아 슈퍼컴퓨터로도 계산이 불가능한 문제를 순식간에 푸는 것이 기대되고 있습니다.
현대 암호의 붕괴(쇼어의 알고리즘)
현재, 인터넷 통신(HTTPS 등)을 지키고 있는 ‘RSA 암호’는, ‘거대한 숫자의 소인수분해는 슈퍼컴퓨터로도 수만 년이 걸린다’는 전제로 안전성을 담보하고 있습니다. 하지만, 양자 컴퓨터용 ‘쇼어의 알고리즘’을 사용하면, 이것을 몇 시간에서 몇 초 만에 해독해 버릴 수 있다는 것이 수학적으로 증명되어 있습니다. 그 때문에 현재 전 세계적으로 ‘양자 내성 암호(PQC)‘로의 전환을 서두르고 있습니다.
5. 양자 초월성과 현재의 과제
2019년, Google은 자사의 양자 컴퓨터 ‘Sycamore’가 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 계산을 단 200초 만에 풀었다고 발표하며, ‘양자 초월성(Quantum Supremacy)’ 을 실증했다고 선언했습니다.
하지만, 실용화에는 아직 큰 장벽이 있습니다. 그것은 ‘노이즈(에러)’ 입니다. 양자 비트의 ‘중첩’ 상태는 매우 섬세해서, 약간의 열이나 자기장의 영향으로도 금방 깨져버립니다. 그 때문에, 절대영도(영하 273도)에 가까운 극저온으로 냉각하는 거대한 장치가 필요해집니다. 현재 주류가 되고 있는 것은 에러를 포함하는 중규모 양자 컴퓨터(NISQ)이며, 에러를 자체 정정할 수 있는 진정한 ‘결함 허용 양자 컴퓨터’의 완성에는 아직 10년 이상의 세월이 필요하다고 알려져 있습니다.
6. 요약
양자 컴퓨터는, 아인슈타인이나 슈뢰딩거 등 물리학의 거인들이 쌓아 올린 양자역학의 이론을 공학으로서 실용화하는 인류의 장대한 도전입니다. PC가 인터넷을 낳고, 스마트폰이 SNS를 낳은 것처럼, 양자 컴퓨터가 실용화되었을 때, 우리가 상상도 하지 못한 전혀 새로운 미래 기술이 탄생할 것임에는 틀림이 없을 것입니다.