양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 0과 1의 두 자리로 표현하던 것을 0과 1을 동시에 표현하는 방법으로 연산하는 컴퓨터입니다. 양자역학에서의 양자 얽힘과 양자 중첩을 이용한 기술로서 기존 컴퓨터보다 복잡하고 어려운 문제를 빠르게 연산하여 해결하는 장점을 가지고 있습니다. 양자역학의 원리를 이용한 양자컴퓨터가 어렵게 느껴질 수 있는데 양자컴퓨터를 이해하기 위해서 꼭 필요한 양자역학에 대해서 쉽게 설명 드려 보겠습니다.
양자컴퓨터의 원리
기존 컴퓨터는 반도체 회로의 집적도를 높여 더욱 고성능의 제품을 생산했습니다. 그런데 최근에는 양자 터널링 현상의 발생으로 집적도 증가가 한계에 도달했다고 예상하고 있습니다. 반도체의 집적도가 높아질수록 생산 단가가 높아져 효율이 좋지 않는 것도 문제입니다. 양자컴퓨터는 큐빗(Qubit)이라는 양자 비트가 기본 단위이며 앞서 설명 드렸던 것처럼 기존 컴퓨터가 0과 1의 상태만 가질 수 있는데 비해서 양자 중첩의 원리로 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 것입니다. 0과 1을 동시에 가진다는 의미는 기존 컴퓨터보다 병렬 연산 속도가 획기적으로 빨라진다는 것을 뜻합니다. 쉽게 말해서 기존 컴퓨터는 A부터 B까지 갈 수 있는 다양한 길을 하나씩 가보고 어떤 길이 가장 빨리 갈 수 있는지 찾을 수 있다면 양자컴퓨터는 모든 길을 동시에 가서 최적의 길을 찾아내는 것입니다. 기존 컴퓨터 수 십, 수 백대가 해야 할 계산을 양자컴퓨터 한 대가 처리할 수 있습니다.
양자역학의 중첩과 얽힘
두 가지 핵심 원리는 양자 중첩과 얽힘입니다. 중첩은 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 것을 뜻하며 얽힘은 두 개 이상의 큐빗이 얽힘으로써 하나의 큐빗 상태가 다른 큐빗의 상태에 바로 영향을 미치는 것을 말합니다. 이 두 원리를 이용하면 병렬 계산에 획기적으로 빨라져 문제 해결을 보다 쉽게 할 수 있는 것입니다.
양자컴퓨터의 미래
상용화까지 길고 먼 여정이 남았지만 상용화가 된다면 다음과 같이 기존 컴퓨터의 연산으로는 한계가 있는 복잡한 자연 현상과 신약의 개발 등에 적극 활용할 수 있을 것으로 예상합니다. 어떤 곳에 특히 필요하고 이용될 전망인지 알아보겠습니다.
1. 보안
- 예시: 연산을 통해서 RSA 암호화와 같은 공개 키 암호를 알아낼 수 있습니다. 소인수분해를 굉장히 빠른 속도로 연산하여 해답을 찾아 낼 수 있기 때문입니다. 암호화 기술의 전면적인 재검토와 신기술을 필요로 합니다. 양자 암호 체계로의 변화가 예상됩니다.
2. 신약
- 예시: 약물과 병증의 분자 구조와 화학 반응을 시뮬레이션 하는데 이용할 수 있습니다. 빠르고 정확한 분석과 모델링을 통해서 잠재적인 신약의 위험성과 문제점을 확인할 수 있습니다.
3. 기후 예측
- 예시: 기후 예측은 다양한 변수들을 고려해야 하는데 기존 컴퓨터로는 한계가 뚜렷합니다. 영향을 미치는 모든 변수를 입력하여 계산할 수 있기 때문에 보다 정밀하고 정확한 기상 예측이 가능할 것입니다.
4. 금융 분석
- 예시: 과거의 움직임과 방대한 데이터를 통해서 리스크를 줄이고 최적의 시장 예측이 가능할 것이라는 전망입니다. 특히 수 많은 데이터와 경로 중에서 원하는 특정 값을 찾고 분석하는데 탁월한 성능을 보일 것으로 예상합니다.
양자컴퓨터를 구동하기 위해서는 극저온의 시설이 필요하거나 다른 제약들이 많습니다. 그래서 상용화까지는 아직 많이 남았다는 학계의 의견입니다. 그렇지만 세계 굴지의 IT 기업들이 천문학적인 돈을 투입하여 기술 발전과 문제점을 해결하며 발전해 나가고 있습니다. 우리의 삶은 양자역학에 대한 깊이 있는 이해와 관련 기술의 발전을 통해서 비약적인 삶의 질 향상을 기대할 수 있을 것으로 예상합니다.