차원이 다른 컴퓨터, 양자 컴퓨터

양자역학을 이용한 새로운 방식의 컴퓨터

양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터와는 다른 완전히 새로운 방식

컴퓨터는 이제 없어서는 안 될 일상의 한 부분이 되었습니다, 아침에 일어나서 저녁에 눈을 감을 때까지. 어쩌면 잠들어 있는 그 순간까지도 항상 컴퓨터 시스템은 온라인 상태인데요. 과거 단순한 계산작업을 처리하기 위해 만들어진 최초의 컴퓨터는 진공관을 이용한 방식으로부터 트랜지스터를 이용한 2진법 체계를 사용하여 여러 계산을 매우 빠르게 수행하는 지금의 형태가 되었습니다. 

 

인텔의 공동 창업자 고든 무어는 1965년 자신의 이름을 딴 '무어의 법칙'을 발표했습니다. 무어의 법칙이란 미래에 반도체 트랜지스터의 수는 18개월마다 2배씩 증가할 것이고 그에 따라 계산 능력도 2배씩 증가할 것이란 예측을 말하는데요, 이러한 무어의 법칙에 따라 반도체 산업은 약 2년 주기로 놀라운 성장을 거듭했고 과거와는 비교할 수 없을 정도로 빠른 컴퓨팅 계산 능력을 만들어 냈습니다.

 

컴퓨팅 계산 능력을 더욱 끌어 올리기 위해서 같은 반도체의 면적에 트랜지스터의 수를 얼마나 많이 늘릴 수 있느냐가 관건인데요. 반도체가 처음 개발된 이래 계속해서 미세 공정화를 거듭한 결과 수 나노미터 공정까지 가능해졌고 보편적으로 가장 많이 사용되는 스마트폰용 반도체의 경우 3 나노미터까지 소형화가 가능할 정도로 발전되었습니다.

 

하지만 이대로 공정의 미세화가 어느 정도까지는 가능할 지라도 물리적 한계점을 벗어난 초소형화가 가능할지는 미지수입니다. 과연 어느 정도까지 트랜지스터의 집적도를 올릴 수 있을지 지켜봐야 하겠지만 단순히 집적도를 올리는 것만으로는 컴퓨팅 성능을 쉽게 끌어올리기란 불가능하다는 우려도 나오고 있는데요, 그중 하나가 발열에 의한 문제 때문입니다. 트랜지스터는 전기적 활성 상태로 인해 비활성 상태(0)와 활성 상태(1)를 이용해 계산을 처리하는데 집적도가 높아지면 높아질수록 그만큼 발열도 더욱 커질 것이란 예측 때문에 이 문제를 해결하지 않으면 아무리 트랜지스터의 집적도를 높인다 한들 성능이 그만큼 상승할 수는 없다는 말이 될 것 같습니다.

 

그렇다면 양자 컴퓨터란 기존의 컴퓨터와 무엇이 다를까요?

양자 컴퓨터는 양자역학 원리를 이용하여 정보를 처리하는 정보를 처리한다고 하는데요, 양자 컴퓨터에 사용되는 양자역학적인 현상은 대표적으로 얽힘, 중첩 상태같은 현상을 이용하여 매우 복잡한 정보를 아주 빠른 속도로 처리할 수 있습니다.

 

이 같은 기술이 상용화된다면 기존의 무어의 법칙을 벗어난 새로운 척도를 만들어 낼 수 있을 만큼 상상할 수 없을 정도의 발전을 하게 될 것이라고 생각됩니다. 이 같은 상상하기 어려운 분야는 놀랍게도 약 1980년대부터 연구가 시작되었다고 하는데요. 그 후 여러 가지 연구 성과들이 이룩되었고 본격적으로 세계적인 IT기업들이 연구 개발을 시작하게 되면서 꿈의 기술 실현에 첫 발을 내딛게 됩니다.

 

스페인 바르셀로나의 IQM 퀀텀 컴퓨터 (출처:뉴스와이어)

 

양자컴퓨터를 이용한 사례

양자컴퓨터에는 큐비트(qubit)라는 것이 있습니다, 이는 고전 컴퓨터의 비트와 유사하다고 볼 수 있겠는데요, 기존의 컴퓨터 같은 경우 비활성 상태(0) 과 활성상태(1)로 처리되지만 큐비트는 기본적으로 양자 역학의 법칙에 기초하기 때문에 0과 1의 상태를 둘 다 가지고 있는 '중첩상태'로 존재합니다. 이를 활용하여 대표적인 여러 검색 포털 사이트 중 세계적인 IT기업 구글에서 양자컴퓨터를 사용하여 놀라운 성과를 이룩한 적이 있는데요. 2019년 53 큐비트의 성능을 가진 프로세서를 이용하여 지구상의 최고성능의 프로세서를 사용하여 1만 년이 지나야 풀 수 있는 문제를 단 200초 만에 처리했다고 합니다.

 

 

양자 컴퓨터의 원리

위에서 말씀드린 양자컴퓨터의 양자중첩, 얽힘등 양자컴퓨터의 대표적인 2가지 원리에 대해서 알아보자면,

 

중첩이란 쉽게 말해서 비활성상태(0)이라는 양자가 있고 활성 상태(1)가 란 양자가 있습니다, 각각 '양자 1번' 그리고 '양자 2번'이라고 하겠습니다. 말 그대로 1번과 2번이 합쳐져 활성이 된 상태임과 동시에 비활성 된 상태라는 것입니다. 예를 들어 아침에 일어나서 세수는 했는데 이빨은 안 닦은 나와 이빨은 닦았지만 세수는 안 한 나의 상태가 동시에 존재하는 것입니다. 이 상태를 1 큐비트라고 하면 양자 컴퓨터는 이 큐비트 중첩 중 세수를 한 나 또는 이빨을 닦은 나의 상태를 고르는 것이 핵심이라고 할 수 있겠습니다.

 

얽힘이란 위의 중첩 상태에서 만약 두개의 내가 동시에 존재한다면 일련의 사건으로 인해 둘 중 하나가 선택이 되면 즉각적인 결론이 도출된다는 것입니다. 여기서 '관측'이란 개념이 중요한데요. 만약 누군가로부터 선물상자를 받았다고 하면 선물상자의 뚜껑을 열기 전까진 그 안에 무엇이 들어 있을지는 선물을 한 사람만이 알고 있을 것입니다. 그렇다는 것은 이미 상자의 내용물이 누군가에게 관측이 되었으므로 양자 상태가 아니게 됩니다. 그런데, 만약 선물을 한 사람조차 내용물이 무엇인지 모른다면 상자 속의 내용물은 중첩상태가 되는데, 이때 상자의 뚜껑을 열어 내용물을 관측하는 순간 얽힘 현상으로 인해 내가 알아차리기도 전에 이미 내용물은 결정되어 있습니다.

 

까다로운 사용법

현재 양자컴퓨터를 개발하는 주요 IT기업들은 슈퍼컴퓨터, 인공지능 등 기존의 컴퓨터 기술이 적용된 분야라면 양자컴퓨터를 접목하여 짧은 시간 내에 여러가지 분야에 폭넓게 사용될 수 있다고 밝혔습니다, 하지만 양자컴퓨터를 구동하려면 극 저온의 환경이 필요한데, 이를 해결하기 위해 당장 큐비트 수를 늘려 성능을 높이는 방향보다는, 양자컴퓨터를 구동하기 위한 환경, 그리고 하드웨어의 구조적 안정성을 높이는 것을 중점적으로 개발하고 있다고 합니다.