양자컴퓨터

양자컴퓨터는 무엇인가?

우리는 종종 무엇을 검색하거나 문서를 작업할때 컴퓨터를 사용한다. 하지만 컴퓨터가 어떻게 작용하는지에 대한 생각은 많이들 안해본다. 컴퓨터는 우리가 생각하기엔 매우 똑똑해보이지만 따지고보면 0과1밖에 모른다. 내가 쓰고있는 글들을 생각해보자. 이 글을 쓰는대에는 많은 활동들을 거쳐서 한다. 컴퓨터를 키고 부팅이되면 인터넷을열어 내 블ㄹ로그로 들어온다음 글을 쓴다. 그 과정을 컴퓨터는 0과1로 행동하나하나를 처리하여 우리가 원하는 값을 내준다. 쉽게 이야기해서 7살짜리 어린이가 여러명이 한문제를 푼다고 생각하면 된다. 하지만 양자컴퓨터는 다르다. 0과1보단 높은차원으로 양자역학을 적용하여 계산능력을 극대화 시킨 컴퓨터이다. 미국의 물리학자 리처드 파인만과 러시아의 수학자 유리 이바노비치 마닌이 최초 구상자로 기존 트랜지스터로 만들어진 게이트대신 양자를 연산법칙으로 사용한다. 이미 주요 국가들의 연구소와 컴퓨터 관련 기업인 IBM,구글,마이크로소프트,인텔 등 여러 기업들이 연구중이다. 실제로 2015년 말에는 구글과 나사에서 특정 알고리즘에선 일반 컴퓨터보다 1억배나 빠르다고 주장하는 양자컴퓨터 실물을 공개하기도 하였다.

무슨원리인가?

과거 연구 초창기에는 NMR방식이 주로 사용되었으나 현재는 사용되지 않는다. 지금은 큐빗의 원리를 생각할 수 있다. 큐빗은 기존의 트랜지스터를 대체한다고 생각하면 된다. 트랜지스터 대신 큐빗(초전도체,포획이온,양자점,다이아몬드 내에 질소공극, 광자)를 사용하는데 포획이온큐빗을 예로 들자면 진공상태에서 자기장으로 그물을 형성하여 이온을 붙잡으면 그물에 걸린 이온에 알맞은 레이저를 발사해 전자 스핀을 제어, 컴퓨팅하고 분광법을 이용하여 상태를 측정해 결과값을 생성한다.

흔히들 양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다 빠른 이유가 병렬계산을 해서 그렇다 라고들 하지만 이것은 올바른 설명이 아니다. 한번 2^n개의 상자가 있고 단 하나의 공이 있다고 해보자. 기존의 컴퓨터는 상자안에 공이 어디 들어있는지 알기위해 n번 상자를 열어야한다. 하지만 양자컴퓨터는 동시에 열어보고 찾는다라고 생각하면 편할것이다. 

그렇다면 어디에 쓰이는가?

우리는 디지털시대에 접해있다. 아니, 들어와있다. 지갑없이 다녀도 일상생활에 크게 지장이 없다. 핸드폰 하나로 결제도하고 은행에서 돈도 인출하는 시대이다. 그럼 우리는 이런것들을 마음것 사용하는 그 이유는 무엇인가. 바로 '보안'이다.우리가 결제할때는 물리적으로보면 카드한번 긁으면 그만이고 핸드폰 한번 가져다 대면 끝이지만 소프트웨어적으로 볼때 무수히 많은 방화벽을 거치게 된다. 보안이 철저히 이루어져있고 각기다른 암호가 얼기설기 겹쳐있어서 가능한것이다. 그럼 그 보안을 양자컴퓨터가 연산하여 만들면 어떠한가. 양자컴퓨터의 진가는 여기서 발휘가 된다. 기존 컴퓨터로는 뚫을 수 없는 보안, 양자컴퓨터만의 계산을 통해 만들어낸 보안은 기존컴퓨터 100대를 돌려도 부족한양의 암호를 만들어낼것이다. 양자컴퓨터와 큰관련은 없지만 양자를 보안에 활용하는 기술은 이미 쓰이고 있다. 주로 통신이나 서버에 사용되는데 우리나라의 기업인 SKT와 삼성이 개발한 갤럭시 A 퀸텀에 사용되었다. 기존의 컴퓨터는 난수생성 알고리즘이 생성하는 난수는 순수한 난수가 아닌 의사난수이지만 여기서 쓰인 칩은 양자의 불확정성을 이용하여 패턴이 없는 순수한 난수를 생성한다. 이렇게 만들어진 보안은 해킹이 불가능 하다는 장점을 가진다. 하지만 위에서 말해씃 보안에 강하다면 보안을 취약하게 만드는것에 대한것도 강하다고 볼 수 있다. 양자컴퓨터가 대중화 되어버리면 암호를 이용해 만드는 암호화폐, 비트코인등이 취약해질것이다. 또한 서로간의 해킹범죄가 지금보다 많아질 가능성이 높다.

 

언제부터 가능한가?

하지만 이것은 먼 미래의 이야기다. 아직 양자컴퓨터가 실용화되기엔 많은 어려움이 있다. 양자를 제대로 통제하기 어렵다는것에서 부터가 문제이다. 지금의 기술로는 양자로 구성되는 큐빗를 충분한 시간동안 유지할 수 없다. 또한 외부환경에 의하여 큐빗이 변형되거나 손상될 가능성도 배제못한다. 큐빗을 오래동안 유지시키기 위해선 극저온과 진공상태를 유지하여 전기저항0이되는 초전도체를 사용하는데 초전도체를 만들기에 제조단가가 엄청나게 올라가고 또 이 초전도체 상태를 유지해야하니까 운용비용이 점점 불어나버린다. 또 소프트웨어적으로도 심각한 문제를 나타낼 수 있다고한다. 현재에는 양자컴퓨터가 실용화되어도 단순 수학적 계산만 하는 정도이며 다른 프로그램은 사용못하는 정도이다. 하지만 생각해보면 초기에 진공관이 나오고 1946년 필라델피아 대학에서 애니악을 만들었을떄에도 수학연산만 가능하였다. 실제로 당시 타임지에선 1백명의 전문가가 1년걸려 풀 문제를 2시간에 풀었다고 전했다. 사람들은 열광했다. 하지만 길이만 30m에 중량은 30톤, 이 거물을 넣을려면 방 크기가 42평이나 되어야만 했다. 그로부터 100년도 안된 지금 컴퓨터의 크기는 점점 줄어들고 때론 우리 손안에 있는 핸드폰이 작은 컴퓨터가 되기도 한다. 전문가들은 양자컴퓨터가 아직 계산만 가능하고 지금 우리가 쓰는 컴퓨터처럼 변할려면 먼 미래라고 호언장담하지만 이것또한 인간이기에 극복하고 인간이기에 다음 기술을 향해 전보다 빠르게 도약할 수 있다고본다.