양자 컴퓨터 원리와 응용 분야

양자컴퓨터란 무엇이고 왜 위력적인지, 어떻게 활용할 수 있는지 소개한다.

1. 양자 컴퓨터란?

1) 양자 컴퓨터의 정의

    큐비트를 단위로 중첩이나 얽힘, 간섭과 같은 양자역학 현상을 활용하여 자료를 처리하는 계산 장치.

2)  양자 컴퓨터의 원리

  양자는 이중 슬릿 실험을 통해 입자와 파동의 성질을 모두 갖는다는 것과 관측 행위를 하게 되면 파동성이 붕괴하고 입자성을 갖게 된다는 것이 밝혀졌다.

 

  양자 컴퓨터가 가졌다는 ‘중첩’, ‘얽힘’ 원리는 어떤 것일까?

 

 중첩: 0과 1의 두 가지 상태를 사용하지만 0과 1이 동시에 중첩된 상태도 표현한다는 것이다. 예를 들어 디지털 컴퓨터에서 이진수 00, 01, 10, 11 네 가지 상태로 존재하는 것이 양자 컴퓨터에서는 동시에 중첩해 표현할 수 있다. 중첩된 상태에서 연산을 한 번에 할 수 있어 강력한 연산력을 갖게 되는 것이다. 그러나 결과도 중첩된 상태로 나오기에 여러 동일 연산을 반복하여 확률적인 분포로 결과를 얻는다. 실행할 때마다 결과가 다르게 나오기 때문에 동일한 연산을 여러 번 수행하여 결과를 얻은 후 통계적으로 최종 결과를 도출한다.

 

 얽힘: 양자 간에 마치 하나의 양자인 것처럼 강하게 연결된 성질이다. 서로 얽혀있는 양자 중의 하나의 양자 상태를 결정하면 거리와 관계없이 다른 하나의 양자 상태 또한 동시에 결정된다는 것이다. 양자의 중첩 상태가 유지되는 결맞음 시간(coberence time) 내에서는 관측한 큐비트와 얽혀 있는 나머지 큐비트도 자동으로 영향을 받아 값이 결정된다. 더 많은 큐비트가 얽힐수록 처리할 수 있는 정보량은 2의 제곱수로 늘어나며 빠른 속도로 연산 처리를 할 수 있다.

 

2. 양자 컴퓨터가 위력적인 이유

 디지털 컴퓨터 성능이 발전하면서 주요 부품인 반도체 칩의 트랜지스터는 동일한 크기에 갈수록 더 많이 올려지고 있다. 반도체 회사들은 미세화 기술로 집적도를 올리거나, 최근 칩렛(Chiplet)과 같은 패키징 기술을 개발해 극복하고 있다. 그러나 물리적 한계에 다다르거나, 개발 비용과 생산 비용이 급격히 증가하는 등의 문제가 있다. 그런데 양자 컴퓨터는 중첩에 의한 동시 연산이 가능하기에 디지털 컴퓨터보다 훨씬 적은 칩으로 많은 연산을 동시에 수행할 수 있다. 이렇듯 병렬 계산이 가능한 양자 컴퓨터는 이론상 슈퍼컴퓨터보다 30조 배 이상, 기존 컴퓨터보다 1경 배 이상 빠른 속도로 연산 처리가 가능하다고 한다. 구글은 2019년 50큐비트로 개발한 양자 컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’가 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 연산 문제를 단 200초 만에 풀었다며 양자 우위를 달성했다고 대대적으로 홍보했다.

 

3. 양자 컴퓨터를 극저온에 두어야 하는 이유

구글의 시커모어 양자컴퓨터 ( 출처 : New Scientist)

 양자는 주변에 빛을 포함한 임의의 전자기파가 존재하면 양자와 부딪히면서 양자의 상태가 변하게 된다. 따라서 사람이 원하는 순간에만 관측 현상이 발생하고 그 이외에는 양자의 상태를 유지하게 만들기 위해서는 양자 주변의 전자기파를 철저히 제거해야 한다. 양자 주변에 빛이 들어오지 않게 하고 주변의 전자기파를 완전히 차단해야 한다. 또한 동작 과정에서도 내부적으로 전자기파가 발생하지 않게 해야 한다. 전류가 흐르면서 저항이 0이 되도록 초전도체로 만들어야 하는 것이다. 초전도체는 극저온인 0K(켈빈) 상태에서 구현할 수 있기 때문에 양자 컴퓨터의 양자 칩 주변을 극저온 상태로 만들고 주변의 모든 전자기파를 차폐하는 시스템으로 만드는 것이다.

 

4. 양자 컴퓨터가 주목받는 이유

1)  암호를 무효화시켜 보안 위기 발생

 현존하는 암호 체계 대부분은 소인수 분해하려면 천문학적 시간이 걸리기 때문에 이 원리를 이용했다. 그러나 ‘쇼어’의 ‘소인수 분해 양자 알고리즘’을 쓰면 대부분의 암호 체계를 뚫을 수 있다. 디지털 컴퓨터로 백만 년 걸릴 것을 10시간이면 해독할 수 있다는 것이다.

2) 데이터 탐색 효율성

 정렬되지 않은 데이터에서 원하는 데이터를 탐색하는데 걸리는 시간이 대폭 감축된다. 디지털 컴퓨터에서 1억 번을 탐색해야 했던 데이터를 양자 컴퓨터에서는 ‘그로버 알고리즘’을 이용해 1만 번만 탐색하면 찾을 수 있다.

 

5. 양자 컴퓨터의 활용 분야

<세상을 바꿀 미래 기술 12가지> 저자 한국현님은 양자 컴퓨터가 활용될 분야로 기존의 디지털 컴퓨터나 슈퍼컴퓨터로는 풀지 못했던 영역이라며 가장 적합한 분야로 자연과학, 최적화 분야, 금융 분야, 머신러닝 분야, 사회적 난제 분야를 꼽았다.

1) 자연과학 분야 예시

 양자 시뮬레이션으로 신소재 합성을 위한 원자나 전자 단위의 미립자 안정 상태를 계산하고 원자의 결합 패턴을 계산해 신소재 설계, 신약 개발, 최적 배터리 개발

2) 최적화 분야 예시

 항공 우주•물류•반도체•엔지니어링 설계, 드론•플라잉 택시•UAM(도심항공교통) 등 미래의 에어 모빌리티 사회에서 사고 없는 최적 경로 찾기.

3) 금융 분야 예시

 투자 포트폴리오 최적화, 금융 리스크 시뮬레이션, 도청이 불가능한 암호 통신으로 보안 해결

4) 머신러닝 예시

 적은 수의 큐비트로 방대한 데이터를 동시에 표현할 수 있어 빅데이터 )학습에 걸리던 시간을 대폭 줄이게 됨.

5) 사회적 난제 예시

 기후와 환경 변화를 예측해 태풍, 지진, 쓰나미, 지구 온난화 등의 난제를 해결, 인공지능을 고도화해 대체 에너지 개발

 

6. 양자 컴퓨터의 단점

1) 범용성 문제

 양자 컴퓨터는 모든 연산을 수행할 수 있는 게이트형 범용 양자 컴퓨터와 최적화 문제에 특화된 양자 어닐링형 컴퓨터로 구분한다.

 범용성을 가지려면 세 가지 조건이 필요하다. ① 게이트형 범용 양자 컴퓨터를 써야 한다. ② 범용 양자 컴퓨터에서 원하는 문제를 풀기 위한 양자 연산 논리 알고리즘을 개발해야 한다. ③ 중첩이 필요 없는 디지털 컴퓨터와 동일한 연산을 할 경우 더 빠르지 않으므로 중첩 상태를 활용해야 하는 고속성이 필요한 연산에 적합하다.

2) 신뢰성 문제

 양자 컴퓨터는 실제 연산 수행 과정에서 필연적으로 노이즈에 의한 오류가 발생하게 된다. 이 오류를 정정하는 기술이 개발되어야 하고, 나아가 결함에 내성이 있는 오류 정정 기능을 갖춘 양자 컴퓨터를 개발해야 한다.

또한 난제를 풀더라도 결과를 검증할 방법이 없어 신뢰성 문제가 발생한다. 따라서 올바른 결과를 알고 있는 작은 문제들로 테스트하며 신뢰할 수준의 결과를 얻어내는 알고리즘을 개발해야 한다.  

 

7. 양자 컴퓨터 상용화

캐나다 디웨이브(D-Wave): 양자 어닐링 기반의 양자 컴퓨터(풀고자 하는 최적화 문제를 에너지 최소화 문제로 모델링하여 양자 어닐링으로 최적해를 찾는 구조)를 개발하여 판매

IBM: 게이트형 범용 양자 컴퓨터 선도. 범용 5큐비트 양자 컴퓨터 클라우드 서비스 공개. 이용자가 양자 알고리즘을 디자인하여 IBM의 양자 컴퓨터나 양자 시뮬레이터에서 실행 가능

아이온큐(IonQ): 이온 트랩 방식의 양자 컴퓨터 개발하여 클라우드 서비스 론칭

아마존: 양자 컴퓨터 제조사와 제휴하여 아마존의 AWS 서비스를 통해 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스(Amazon Braket) 이용 가능

마이크로소프트: 양자 컴퓨팅 클라우드 서비스 Azure Quantum 제공