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제4차산업혁명 시대 (67): 양자 컴퓨팅

2020년 03월 20일 [(주)문경사랑]

 

 

↑↑ 지홍기
영남대학교 명예교수
문경대학교 특임교수
문경시지역발전협의회 의장

ⓒ (주)문경사랑

 

양자 컴퓨팅이란?

양자(Quantum) 컴퓨터는 얽힘이나 중첩 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 자료를 분석하는 기계라 하고, 그러한 기능을 양자 컴퓨팅(Quantum Computing)이라 한다. 데이터의 처리 단위에 있어서 고전적(전통적)인 컴퓨터에서는 비트(Bite)로 측정되며, 양자 컴퓨터에서는 큐비트(양자비트; Qbites)로 측정된다.

양자 컴퓨팅은 0, 1 그리고 0과 1의 조합을 동시에 나타낼 수 있으며, 저장할 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 이용하여 데이터를 처리한다. 이런 두 상태의 중첩이 가능해짐에 따라 양자 컴퓨터는 2진수 비트를 이용하여 모든 정보를 0 아니면 1로만 저장할 수 있는 전통적인 컴퓨팅보다 훨씬 더 빨리 데이터를 처리할 수 있다.

양자 컴퓨팅의 작동방식

큐비트로 정보를 처리하기 위해서는 모든 것이 상호 의존적인 중첩 상태에 있어야 한다. 이러한 상태를 가리켜 양자 결집 상태라고도 하는데, 큐비트가 서로 결집되어 뒤얽혀 있는 상태를 가리킨다. 이 상태에서는 하나의 큐비트에 변화를 주면, 나머지 큐비트에도 영향을 미친다. 그러나 큐비트는 아주 연약하기 때문에 약간의 온도 변화, 소음, 파동 및 미소진동 등으로 결잃음(에너지가 새어 나가 계산에 실패하는) 상태가 될 수 있다.

따라서 큐비트는 결잃음이 발생하기 전까지 양자 상태를 극히 짧은 시간(100 μs = 1/10,000초) 동안만 유지할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 아주 극단적인 상태 즉, 냉각(Cooling)에는 약 0.015 켈빈도(섭씨 영하 273도)가 필요한데, 이는 항성간 우주의 온도보다 180배나 더 차가워야 한다. 또한 이들은 지구의 자기장보다 50배 약한 강도로 보호되어야 하고, 압력은 대기보다 1/100억 이하로 낮은 압력인 약한 고진공 상태에 두어야 하며, 저진동 표면에 위치시켜야 한다.

ⓒ (주)문경사랑

양자 컴퓨팅의 처리속도

양자 컴퓨팅은 가장 빠른 수퍼 컴퓨터보다도 훨씬 빠르게 데이터를 처리할 수 있다는 점에서 주목받고 있으며, 일반적으로 50 큐비트에서 이러한 속도가 가능해지는 것으로 알려져 있다. 그러므로 큐비트 수가 증가할수록 양자 결집 상태의 유지가 어려워진다는 문제점이 있으며, 결국 양자 컴퓨팅의 성능은 양자 오차를 최소화하는 데 성공 여부가 달려 있다.

따라서 양자 컴퓨팅은 큐비트를 얼마나 오래 중첩된 상태와 결집된 상태로 묶어 둘 수 있느냐가 핵심이다. 이 문제는 머지않은 장래에 큐비트를 충분히 오랜 시간 결집 상태로 유지시켜 줌으로써 획기적인 성능을 확보할 수 있을 것이다.

양자 컴퓨팅의 미래전망

양자 컴퓨팅의 잠재력에 관심이 있는 기업들은 적극인 구매자가 될 것이다. 폭스바겐은 양자 컴퓨팅 시스템을 도입해 1만여 대의 택시 트래픽 흐름을 최적화하는 데 활용하기 시작했다. 제약업계에서는 IBM과 협력하여 화학 반응과 분자 시뮬레이션의 속도를 가속화함으로써 위험 분석, 트레이드 전략 등에 양자 컴퓨팅 기술이 활용되고 있다.

그렇다면 양자 컴퓨팅은 실제로 어떤 곳에 쓰일 수 있을까? 이는 우선 큰 규모의 데이터 세트와 관련된 과제들, 그 중에서도 특히 기존의 컴퓨터가 해결할 수 없었던 문제가 양자 컴퓨팅의 주요 타깃이 될 것이다. 난해한 문제, 보험사의 경우 사망률을 분석하고 채권의 리스크를 계산하는 것 역시 양자 컴퓨팅의 영역이 될 수 있다.

따라서 복잡한 연산이 가능한 반도체 기반의 양자 컴퓨터는 초전도 회로방식보다는 발전이 느려서 아직 수 큐비트 이상을 성공시키지 못했지만, 성공할 경우 현재의 반도체 산업 기반을 활용할 수 있어 파급력이 클 것으로 기대되고 있다. 특히 반도체 산업을 선도하고 있는 삼성은 반도체 산업과 양자컴퓨터 기반의 컴퓨팅 기술을 새로운 차원으로 진화시키고 있다.

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