본 글에서는 양자컴퓨터를 초등학생도 이해할 수 있을정도로 쉽게 설명드립니다. 양자컴퓨터에 대해 가지고 있던 궁금증을 풀 수 있습니다.
우리가 매일 사용하는 컴퓨터는 지난 70여 년간 비약적인 발전을 거듭했습니다. 하지만 반도체를 더 작게 만드는 기술이 물리적 한계(나노 공정의 한계)에 부딪히면서, 기존 방식으로는 해결하기 어려운 난제들이 여전히 남아 있습니다.
이러한 한계를 돌파하기 위해 등장한 것이 바로 ‘양자컴퓨터(Quantum Computer)’입니다. 양자컴퓨터는 지금의 슈퍼컴퓨터보다도 비교할 수 없을 정도로 빠르게 문제를 해결할 수 있다는걸 들어보셨을 것입니다. 전공자가 아니더라도 이해할 수 있도록 그 핵심 원리와 미래 가치를 정리해 드립니다.
Table of Contents
1. 양자컴퓨터란 무엇인가?
기존 컴퓨터(고전 컴퓨터)와 양자컴퓨터의 가장 큰 차이는 정보를 처리하는 기본 단위에 있습니다.
- 고전 컴퓨터 (비트, Bit): 전구의 스위치와 같습니다. 켜짐(1) 또는 꺼짐(0) 중 딱 하나의 상태만 가질 수 있습니다.
- 양자 컴퓨터 (큐비트, Qubit): 회전하는 동전이나 지구본과 같습니다. 동전이 돌고 있을 때 앞면과 뒷면의 성질을 동시에 가지듯, 0이면서 동시에 1인 상태(중첩)를 가질 수 있습니다.
이 작은 차이가 연산 능력에서는 기하급수적인 차이를 만들어냅니다. 큐비트가 늘어날수록 처리할 수 있는 정보량은 큐비트당 2의 제곱으로 폭발적으로 증가합니다. 큐비트가 1개일때 2라고 하면 큐비트가 2개면 4, 3개면 8, 4개면 16이렇게 증가합니다.
2. 양자컴퓨터의 핵심 원리 3가지
양자컴퓨터가 강력한 성능을 내는 이유는 양자역학이라는 미시 세계의 독특한 물리 법칙을 이용하기 때문입니다.
① 중첩 (Superposition): 확률적인 공존
고전 컴퓨터가 미로 찾기를 한다면, 막힌 길에서 되돌아와 다른 길을 하나씩 순서대로 가봐야 합니다. 반면, 양자컴퓨터는 ‘중첩’ 성질을 이용해 동시에 여러 갈래의 길을 탐색하는 것과 비슷합니다.
즉 여러 갈래 길에서 기존 컴퓨터는 한 길을 선택해서 가보고 다시 갈래지점에 돌아와서 가보지 않은 다른 길로 가고 이런식으로 진행된다면, 양자컴퓨터는 갈래길에서 갈래의 수만큼 분신을 만들어 한 번에 탐색하는 것이 가능하다는 것입니다.
구체적으로 과학자들은 ‘슈테른-게를라흐 실험’ 등을 통해 입자가 관측되기 전까지는 위(N)와 아래(S)의 방향이 결정되지 않고 확률적으로 공존한다는 사실을 밝혀냈습니다.
② 얽힘 (Entanglement): 보이지 않는 연결
두 개의 큐비트가 ‘얽힘’ 상태가 되면, 물리적으로 아무리 멀리 떨어져 있어도 서로 강력하게 연결됩니다. 한쪽의 상태가 결정되는 순간, 반대쪽의 상태도 즉시 결정됩니다.
마치 서울에 있는 동전이 앞면으로 결정되면, 우주 반대편에 있는 짝꿍 동전이 즉시 뒷면이 되는 것과 같습니다. 이 원리를 통해 큐비트끼리 복잡한 데이터를 주고받으며 초고속으로 연산을 처리할 수 있습니다.
③ 간섭 (Interference)과 결잃음 (Decoherence)
양자컴퓨터는 파동의 성질을 가집니다. 물결이 부딪쳐 더 커지거나 사라지듯, 양자 알고리즘은 정답이 될 확률은 증폭시키고(보강 간섭), 오답일 확률은 상쇄(상쇄 간섭)시켜 답을 찾아냅니다.
하지만 큐비트는 매우 예민합니다. 열, 소음, 진동 같은 외부 간섭이 조금만 있어도 양자 상태가 깨져버리는데, 이를 ‘결잃음’이라고 합니다. 이 오류를 잡고 상태를 유지하는 것이 현재 기술 개발의 최대 난제입니다. 상용화가 힘든 이유가 여기에 있습니다.
그래서 절대온도(영하273도) 상태를 유지하고, 초전도체를 활용하는 방식을 사용하기도 합니다. 물리적으로 저항이나 환경영향을 없애는 것입니다.
그리고 근본적으로 정확한 정답이 아닌 정답일 확률이 가장 높은 것을 알려주는 것입니다.
3. 양자 상태의 시각화 (심화)
이 복잡한 양자 상태를 수학적으로 표현하기 위해 과학자들은 ‘블로흐 구(Bloch Sphere)’라는 모델을 사용합니다.
큐비트의 상태를 3차원 구 위의 한 점으로 나타내는데, 북극은 0, 남극은 1, 그리고 적도와 표면의 다른 점들은 0과 1이 섞인 중첩 상태를 의미합니다.
4. 하드웨어와 소프트웨어의 차이
하드웨어: 거대한 냉장고
양자컴퓨터는 우리가 아는 반도체 칩과는 전혀 다른 모습을 하고 있습니다. 양자 상태를 유지하기 위해 우주 공간보다 더 차가운 극저온(절대영도, 약 -273℃) 환경을 만들어야 하기 때문에 거대한 냉각 장치가 필수적입니다. 현재 구글, IBM 등이 주도하는 초전도 방식이 가장 앞서 나가고 있습니다.
소프트웨어: 확률적 정답
고전 컴퓨터는 1+1=2처럼 딱 떨어지는 확정적인 답을 줍니다. 하지만 양자컴퓨터는 “이것이 정답일 확률이 99%이다”라는 식으로 확률적인 결과를 내놓습니다. 따라서 오차를 줄이고 정확도를 높이는 알고리즘 설계가 매우 중요합니다.
대표적으로 데이터 검색 속도를 획기적으로 높여주는 그로버 알고리즘이나, 암호를 빠르게 해독하는 쇼어 알고리즘이 있습니다.
5. 활용 분야
양자컴퓨터가 상용화되면 특정 분야에서 산업의 판도를 완전히 뒤바꿀 수 있습니다.
- 신약 및 신소재 개발: 분자 구조는 양자역학적으로 매우 복잡합니다. 양자컴퓨터는 이를 자연스럽게 시뮬레이션하여 새로운 약물이나 고효율 배터리 소재를 획기적으로 빠르게 찾아낼 수 있습니다.
- 금융 및 물류 최적화: 수만 가지 변수가 얽힌 금융 포트폴리오 구성이나, 전 세계 물류 배송 경로의 최적화를 순식간에 계산해 비용을 절감합니다.
- 암호 해독과 보안: 현재 인터넷 보안은 일반 컴퓨터로 푸는 데 수억 년이 걸리는 문제에 기반합니다. 예를들면 소수를 활용한 암호가 있습니다. 소수를 찾는 것은 쉽습니다. 두 소수를 곱하는 것도 마찬가지 입니다. 하지만 어떤 수가 소수인지 아닌지를 판단하는 것은 매우 어려운일입니다. 양자컴퓨터는 이를 단시간에 풀 수 있어 기존 보안 체계를 무력화할 수 있습니다.
6. 요약
양자컴퓨터는 단순히 “더 빠른 컴퓨터”가 아니라, “전혀 다른 방식으로 문제를 해결하는 컴퓨터”입니다. 이를 ‘양자 우월성(Quantum Supremacy)’이라고 부르는데, 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸릴 문제를 양자컴퓨터가 몇 분 만에 해결하는 단계를 의미합니다.
어떤 문제는 양자컴퓨터가 절대 해결하지 못하는 것도 있습니다. 또한 기존의 일반컴퓨터가 더 빠르게 답을 얻을 수 있는 분야도 있습니다. 게임이나, 영상재생 이런것은 기존 컴퓨터가 월등하게 잘 처리할 수 있습니다. 앞으로도 기존 컴퓨터는 계속쓰일것입니다. 즉미래에는 기존 컴퓨터와 양자컴퓨터 둘 다를 사용할 것입니다.
양자컴퓨터가 가정에까지 보급되기에는 많은 시간이 걸릴 것입니다. 아직은 오류를 수정하고 큐비트를 안정적으로 늘려가는 연구 단계에 있지만, 머지않은 미래에 양자컴퓨터는 화학, 금융, AI 분야에서 인류의 난제를 해결하는 핵심 도구가 될 것입니다.