양자역학 핵심이론 3편_양자컴퓨터 개념다지기

 

양자역학 핵심이론 3편_양자컴퓨터 개념다지기

 

 

이제 이중슬릿 실험에서부터 양자중첩 상태에 대한 공부를 했습니다.

양자역학의 발전에는 아인슈타인의 역할을 결코 빼놓을 수 없는데요,

특히 아인슈타인은 광전효과에 대한 논문으로 노벨상까지 받았죠.

 

이 광전효과는, 빛이 전자와 상호작용하여 전자를 이동시키거나, 전하를 발생시키는 현상을 의미하는데

그러니까 빛을 이용하여 전하의 이동을 제어할 수 있게 된 것이고

이를 이용하여 반도체 기술이 발전하고, 특히 트랜지스터라는 희대의 발명품이 나오게 됩니다.

 

트랜지스터는 전자의 흐름을 제어하고 전기 신호를 증폭하거나 차단하는 역할을 하며,

컴퓨터나 통신 시스템, 전자기기 등에 필수적인 부품으로 사용되고 있습니다.

 

왜 갑자기 트랜지스터 이야기를 하느냐..

 

 

 

현재 컴퓨터가 계산하는 방식이 0과 1로 이루어진 2진법을 이용하다는 것은 많이 알려진 사실입니다.

 

글자, 소리, 영상을 포함한 모든 데이터를 컴퓨터는 0과 1로 변환하여 계산하고, 그 출력을 글자, 소리, 영상 등으로 변환하여 내보내지게 됩니다.

0과 1로만 나타내어야 하는 이유는 바로 이 트랜지스터가 전자를 통하게 하는 상태를 '1', 전자가 흐르지 못하는 상태를 '0' 으로만 구분할 수 있기 때문인데요. 

도체, 부도체, 반도체에 대해 들어보신 분이라면 좀 더 이해가 쉬울 겁니다.

 

자세한 설명은 생략하고..

 

아무튼,

 

컴퓨터에서 모든 정보는 0이나 1 둘 중 하나의 값만을 가지며, 이 기본 단위를 비트(bit)라고 합니다.

 

 

그런데 양자컴퓨터는 하나의 비트가 0과 1을 동시에 갖게 되고, 이를 퀀텀비트(qubit)라고 부릅니다.

 

바로 두가지 상태를 동시에 갖는다는 양자중첩의 원리를 활용한 것이죠.

 

하나의 예를 들어보겠습니다.

 

 

현재 공인인증서, 암호화폐 등 디지털 암호체계에서 가장 많이 쓰이고 있는 것이 소인수분해 알고리즘 입니다.

60이라는 숫자를 소인수분해 하면 2 2 3 5로 나타내게 되죠.

여기까지는 컴퓨터가 어렵지 않게 계산 가능합니다.

하지만 오른쪽과 같은 129자리의 숫자를 예로 들어봅니다.

저렇게 긴 숫자를 소인수분해 하려면, 컴퓨터는 모든 숫자를 다 대입해서 나눠지는지 체크하고 또 다음숫자로 넘어가고..

매우 복잡한 연산이 되어버립니다.

바로 이 복잡한 연산을 이용한 것이 바로 오늘날 암호체계이고, 가상화폐 또한 이 원리를 이용한 것이며

그 가상화폐의 원리를 이용한 것이 최근 화두되었던 NFT인 것이죠.

 

왜 기존의 컴퓨터는 소인수분해를 하는데 오래걸렸을까요?

 

여기서 다시 트랜지스터가 나옵니다.

 

아까 말한것 처럼, 컴퓨터는 트랜지스터를 통해 0과 1을 나타냄으로써 모든 연산을 하게 됩니다.

트랜지스터 1개는 1bit, 2개는 2bit, 8개면 8bit.. 그렇게 많은 트랜지스터가 사용될수록 많은 연산을 동시에 처리할 수가 있게 되며 최신 컴퓨터는 하나의 CPU에 50억개 이상의 트랜지스터가 사용됩니다.

하지만 트랜지스터의 갯수에는 결국 한계가 있는 것이고 연산 속도에도 결국 한계가 존재하게 되는 것입니다.

 

 

 

하지만 하나의 비트가 0과 1을 동시에 갖는 큐비트를 사용한다면?

 

기존의 2bit는 2개의 연산이 가능했지만 큐비트에서는 4개의 연산이 동시에 가능한 것이고,

3 큐비트는 8개를 동시에.  8큐비트는 256개를 동시에 처리하게 되는 것입니다!

 

위 그림에서 오른쪽 미로의 출구를 찾는 문제가 있다고 했을 때 기존의 컴퓨터는 길을 하나하나 찾고

출구가 막히면 돌아가고..그런 식이었다고 하면

양자컴퓨터에서는 여러개의 길을 동시에 찾아나가는 것으로 이해할 수 있을 것 같습니다.

 

 

 

양자컴퓨터는 구글, IBM 마이크로소프트 등에서 관심을 가지고 개발을 하고 있으며 상용화 기술개발에 노력을 하고 있습니다.

 

2017년에 출시된 디웨이브 시스템 양자컴퓨터는 그 원리와 결과를 모두 공개하지 않아 논란이 있기도 하며

구글과 IBM은 서로 경쟁하면서 양자컴퓨터를 개발하고 있습니다.

 

아직 양자컴퓨터는 실험 단계에 머무르고 있고 일부 전문가들은 10년 이내에는 상용화가 불가능할 것이라는 비관적인 시선으로 바라보기도 합니다. 심지어 영원히 불가능할 것이라고 예측하는 전망도 있죠.

 

 

하지만 늘 그래왔듯이 전망보다 훨씬 빠르게 양자컴퓨터가 세상에 나올지도 모릅니다.

양자컴퓨터를 사용하여 암호 해독, 머신러닝, 빅데이터 처리 등이 빠르게 가능해질 수 있고

시뮬레이션 분야에서도 혁신적인 발전이 가능할 것으로 보입니다.

일기예보나 주식예측 등 변수가 너무 많아 정확하고 빠른 계산이 어려웠던 분야들에서는 특히

엄청난 연산을 보이지 않을까 기대가 됩니다.

 

중첩상태를 유지해야 하는 것이 기술적으로 어려워 큐비트를 늘리기가 매우 어렵다는 말이 많지만

이러한 기술의 한계점들은 결국 극복되지 않을 까 하는 바램이 있구요

양자컴퓨터를 통해 어떤 것들이 바뀔지 생각해보는 재미가 있네요.

 

 

 

아, 이미 몇 년이 흘렀지만 삼성전자에서 3진법 반도체를 개발하고 있다는 기사가 나왔었습니다.

그리고 몇년째 이후 소식이 들려오지 않는데요..

양자컴퓨터의 핵심은 결국 반도체를 다루는 능력이 될텐데,,

다가올 반도체전쟁에서 누가 승리하느냐 또한 관심있게 지켜볼만한 내용인 것 같습니다