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고양이 시리즈 세번째!: 이번엔 창(槍)이다
양자컴퓨팅 소개
(2022년 01월 기사)

고양이 시리즈 세번째!: 이번엔 창(槍)이다
양자컴퓨팅 소개
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    (2022년 01월 기사)
기고: VIP컨설팅팀 강재구 매니저
블록체인 관련 그림
  • 1. 블록체인만큼 '양자컴퓨팅'도 미국과 중국을 중심으로 경쟁적 연구개발이 진행 중
  • 2. 양자컴퓨팅에 대한 이해
  • 3. 양자컴퓨팅 시장 및 활용, 성장전망
  • 4. 관련기업 및 ETF

최근 블록체인이 다양한 형태로 시장을 뜨겁게 달구고 있습니다. 블록체인이 방패(보안)를 추구한다면, 양자컴퓨팅은 이를 연산해서 뚫을 수 있는 창()으로, 이에 대한 연구개발 역시 중국과 미국을 중심으로 뜨겁게 진행 중입니다. 2019년 10월 비트코인이 급락하는 사건이 있었는데, 이는 구글이 블로그와 과학전문지 네이처를 통해 양자컴퓨터 칩 '시커모어'를 이용한 양자컴퓨터의 성능을 게재했기 때문입니다. 2021년 중국 연구팀은 구글의 양자컴퓨터보다 100만 배 이상 복잡한 계산을 할 수 있는 양자컴퓨터를 개발해 중대한 진전을 이뤘다고 보도했습니다. 과거 미국과 소련의 '우주전쟁'만큼 '퀀텀 수프리머시'를 놓고서도 미-중 간의 경쟁 역시 치열해지는 양상을 보임에 따라 양자컴퓨터에 대해 아주 간단히 살펴보고자 합니다.

양자컴퓨터란?

컴퓨터란 아주 빠른 계산기라는 것은 누구나 알고 있으며, 연산을 위해 2진법(0 또는 1)을 사용합니다. 아래 <그림1>과 같이 예를 들어 자릿수가 1개면 1bit, 2개면 2bit(연산 단위인 1Bit에 0 또는 1의 선택을 통해 연산 및 해답을 찾아가는 성능 좋은 계산기)입니다. 일반 컴퓨터의 연산능력은 2의 승수로 계산이 되는데 예를 들어 10개 bit의 문제를 병렬 연산 시 2의 10승 즉, 1024개 중 1개를 선택하게 됩니다.

그림 1 Bit와 Byte의 구분(8bit = 1byte)
Bit와 Byte의 구분 그림
양자컴퓨터는 Bit가 아닌 Qubit를 사용하는데 Qubit는 양자역학의 중첩 개념을 활용해 연산속도를 기하급수적으로 향상시킨 컴퓨터로 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 더 빠른 연산이 가능합니다. 중첩이란 정의 그대로 '거듭 겹치거나 포개어짐'이란 뜻으로 여러 현상이 동시에 나타날 수 있는 것입니다. 이는 양자역학의 기본원리로 '양자 얽힘'이라고도 하는데, 두 입자가 항상 반대 방향으로 돈다고 가정할 때, 측정(관측) 전까지 두 입자의 상태를 알 수 없지만 한 입자를 측정(관측)한 순간 그 입자의 상태가 결정되며 마치 그 정보가 순식간에 전달된 것처럼 다른 입자 상태를 결정하게 되는 개념입니다.

즉, 여러 가지 다른 상태가 동시에 나타날 수 있으며, 관측을 통해 상태가 결정되는 것을 의미하는데, 그 유명한 <슈뢰딩거의 고양이 실험>이 이를 잘 설명해 줍니다. 이 사고실험(思考)은 사실 슈뢰딩거가 양자역학을 반박하기 위해 만들었으나, 양자역학을 설명하게 된 실험입니다.
슈뢰딩거의 고양이 실험
슈뢰딩거의 고양이 실험 그림
  • 1. 밀폐된 상자(이중슬릿) 속에 독극물(독가스 또는 방사성 물질 등)이 든 병과 고양이를 함께 넣는다.
  • 2. 가정은 고양이와 독극물은 서로 닿지 않는 상황
  • 3. 독극물 병에는 망치가 연결되어 있고, 전자가 파동일 경우 망치가 작동하지 않지만 입자일 경우 망치가 작동
  • 4. 양자물리학에선 관측으로 결정되지 않는 이상 전자는 파동이자 입자. 그렇다면 망치는 작동하거나 작동하지 않고, 독극물 병은 깨지거나 깨지지 않고 고양이는 죽거나 죽지 않는 상태여야 함.

이 사고실험으로 슈뢰딩거는 전자는 그럴 수 있다고 치지만 현실세계의 고양이가 '죽거나 살아있는' 상태가 불가능하다는 점에서 양자역학을 비판합니다. 이에 닐스보어는 '고양이도 파동이다. 그러나 수 많은 관측자가 존재하기 때문에 현실에선 파동형태의 고양이가 존재할 수 없다'고 반박하며 세상 모든 것들이 파동이자 입자라는 중첩의 개념을 설명합니다.

Qubit는 이러한 양자역학의 중첩 개념을 적용해 한 bit 내에 0 또는 1을 동시에 수행하며 처리속도를 혁신적으로 높이게 됩니다. 인천에서 서울까지 간다고 할 때, 10가지 경로가 있는데 최적화된 경로를 찾기 위해 일반 컴퓨터는 10가지 경로를 하나씩 거치면서 최적 경로를 찾아낸다면 양자컴퓨터는 결과가 관측되기 전까지 동시다발적으로 모든 경우의 수를 통해 최적 경로를 찾아내는 구조로, 그 결과는 Qubit에 저장됩니다. 이를 통해 아주 복잡하고 어려운 문제를 빠른 속도로 연산처리하는 것이 양자컴퓨터입니다. 이러한 양자컴퓨터의 빠른 연산으로 인해 방패(보안)로 상징되던 블록체인에 대한 우려가 2019년도의 비트코인 급락으로 이어졌습니다.

양자컴퓨터 사진
사진출처: ⓒFMNLab, 위키피디아(https://commons.wikimedia.org)

우주산업 등 다양한 방면에서 활용도가 높을 것

아직 양자컴퓨터와 현존하는 슈퍼컴퓨터에 대해 직접 비교한 데이터가 많지는 않지만 구글의 '시커모어'가 IBM의 슈퍼컴퓨터로 이틀 반이 걸려 계산한 문제를 3분 20초만에 계산을 해내며, 약 1,000배 수준 빠른 연산이 가능하다는 것을 보여줬습니다. 이러한 격차는 향후 양자컴퓨터의 완성도가 높아지며 더욱 더 벌어질 것이고 해당 연산능력은 과학, 클라우드(현재 아마존은 양자컴퓨팅을 활용한 클라우드를 제공), 우주, 솔루션(IBM의 퀀텀네트워크 등) 등 다방면에서 활용되어 성장할 것으로 기대됩니다.
우주산업을 표현한 그림

댓글목록

김순곤님의 댓글

김순곤

양자컴퓨터의 개발이 미래 우리의 삶에 어떤 변화를 가져올지 궁금하지만 두렵기도 하군요. 기술발전의 속도가 정말 놀랍습니다

류영상님의 댓글

류영상

미래에 아니 가까운 현재에 양자물리학, 양자검퓨터가 가져올 놀라운 변화에 등짝이 오싹한다. 언제나 그렇듯 양자컴퓨터가 인류의 복지와 삶의 향상을 위하여 좋은 목적으로만 사용된다면 문제가 없지만 그렇지 않다면 무서운 무기로 다가올 수 있음이다.