양자컴퓨터의 이해 및 적용 분야

양자컴퓨터의 이해 및 적용 분야

양자컴퓨터는 현존하는 최고의 슈퍼컴퓨터가 수천년이 걸려도 풀 수 없는 문제를 몇초 만에 풀 수 있을 만큼 혁신적인 컴퓨터 기술입니다. 기존 컴퓨터 정보처리 단위인 Bit는 정보를 0과 1로 처리하지만, 양자컴퓨터의 정보처리단위는 Qubit으로 동시에 0과 1로 저장이 가능합니다. 이러한 Qubit이 중첩될수록 방대한 양의 데이터를 동시에 처리할 수 있게 되며 상상하지 못하는 속도로 연산을 하게 되는 것입니다. 실제로 구글은 최초로 양자컴퓨터 개발에 성공하였고, 많은 빅테크 기업들이 양자컴퓨터 개발에 열을 올리고 있습니다.

 

목차

양자컴퓨터의 이해

양자컴퓨터의 적용 분야

 

양자컴퓨터의 이해

마이크로소프트, IBM, 구글 등 빅테크 기업들이 양자컴퓨터(퀀텀컴퓨터) 개발에 열을 올리고 있습니다. 양자컴퓨터가 개발되면 현존하는 최고 성능의 슈퍼 컴퓨터가 수천 년이 걸려도 풀수 없는 연산을 단 몇 초 안에 풀어낼 수 있습니다.

우선 양자컴퓨터를 이해하려면 큐빗(Qubit)의 개념을 이해해야 합니다. 큐빗(Qubit)은 양자컴퓨터의 정보처리 단위를 말합니다. 기존 컴퓨터의 정보처리 단위인 비트(Bit)는 정보를 0 또는 1로 저장하지만, 양자컴퓨터의 큐빗(Qubit)은 동시에 0과 1로 저장이 가능합니다.

Bit와 Qubit의 개념

이것이 양자 역학의 원리인 중첩입니다. 두 개의 큐빗은 4가지의 중첩 가능한 상태가 있으며, 큐빗이 늘어날수록 이러한 상태가 기하급수적으로 증가하게 됩니다. 이것은 문제에 대한 방대한 양의 해답을 동시에 탐색할 수 있다는 의미입니다. 예를 들면 서울에서 부산까지의 경로를 찾는데에 기존 컴퓨터는 경부고속도로 하나를 이용하는 반면 양자컴퓨터는 비행기, KTX 등 다양한 방식을 이용하여 최적의 답안을 찾아내는 것입니다.

양자 컴퓨터를 구동하는 구글의 시커모어 칩

실제로 구글은 3년 전 슈퍼컴퓨터로 계산하면 1만 년이 걸리는 것을 200초 만에 계산하는 53큐빗 양자컴퓨터 시커모어(Sycamore)를 개발했습니다. 이러한 계산 능력으로 양자컴퓨터는 인류가 풀지 못하는 난제를 해결하는 게임 체인저로 평가받고 있습니다.

양자 컴퓨터를 소개하는 에릭 루세로 퀀텀 엔지니어

 

 

 

 

 

 

 

양자컴퓨터의 적용 분야

빅테크 기업들은 양자컴퓨터가 기후 변화, 알수 없는 전염병(Covid 19와 같은) 등 인류 당면 과제 해결 도구가 될 것으로 예상하고 있습니다. 예를 들어 배터리 효율을 크게 향상시키거나, 탄소 배출 없는 비료, 전염병에 대응하는 의약품 개발 등에 활용할 수 있을 것으로 보고 있습니다.

이러한 전망으로 미국을 비롯한 선진국은 양자컴퓨터 개발에 불을 켜고 있습니다. 미국의 빅테크 기업이 기술을 주도하고 있고, 일본, 중국, 인도, 한국 등이 개발에 목표를 두고 있습니다. 스탠더드 앤 푸어스 글로벌 마켓 인텔리전스가 2023년 3월 발표한 보고서에 의하면 전세계적으로 약 42억 달러를 양자컴퓨터 개발에 투자할 계획이라고 합니다. 양자컴퓨터는 제조업, 제약업, 그리고 국방산업 등에도 활용될 것으로 보입니다. 크게 활용될 분야는 아래와 같습니다.

• 양자 시뮬레이션 

양자컴퓨터가 개발이 되면 다른 양자 시스템을 시뮬레이션하여 모델링할 수 있습니다. 기존 컴퓨터는 양자 시스템의 복잡성과 모호성을 처리하면 과부하를 일으킬 수 있습니다. 그러나 양자컴퓨터는 과부하 없이 시뮬레이션과 모델링할 수 있게됩니다.예를 들어 초전도성 물질, 광합성 작용의 에너지 전환 과정, 복잡한 분자 형성 등 다양한 양자 분야를 시뮬레이션 할 수 있게 됩니다.

• 암호화

인터넷에서 데이터를 안전하게 보관하고 송신하기 위해서 사용하는 현재의 암호 시스템은 RSA(Rivest-Shamir-Adleman) 알고리즘을 이용합니다. 소인수 분해 또는 이산로그 등 다루기 힘든 문제를 활용하여 암호화하는 방식입니다. 그러나, 양자 자컴퓨터는 이러한 문제 또는 이러한 문제로 만들어진 암호를 빠르게 풀 수 있습니다. 암호 해독 뿐만 아니라 양자 방식으로 암호를 만들어 사용할 수 있습니다. 양자암호는 양자역학의 특별한 현상을 이용합니다. 만약 해커가 중간에 양자 암호키를 해킹하려고 하면 양자 상태에 변화가 생기게 되며, 양자 상태의 변화는 암호가 변경된다는 것을 의미합니다. 현재의 기술로는 해킹할 수 없는 암호가 만들어지게 되는 것입니다.

• 최적화

원하는 결과와 제약 조건을 반영하여 문제에 대한 최적의 솔루션을 찾는 프로세스를 최적화라고 합니다. 과학 및 산업 분야에서 품질, 시간, 비용 등의 요소를 기반으로 의사 결정을 내리는데 양자컴퓨터를 사용하면 빠르게 최적화를 도출할 수 있습니다. 기존 컴퓨터는 불가능했던 것을 양자 유도 최적화 알고리즘을 적용하여 최적의 솔루션을 찾을 수 있으며, 이를 활용하면 교통, 에너지 저장, 비행기 게이트 할당, 패키지 배달 등 복잡한 시스템을 최적화 하여 관리할 수 있게 됩니다.

• 양자 머신 러닝

머신 러닝은 과학과 산업분야를 혁신적으로 변화시켰습니다. 그러나 머신 러닝 모델은 시스템 비용이 많이 듭니다. 이러한 비용 문제는 특정 분야의 개발을 어렵게 합니다. 때문에 마이크로소프트는 더 빠른 머신 러닝을 가능하게 하는 양자컴퓨터와 소프트웨어를 개발하고 있습니다.

 

 

양자컴퓨터 실현 가능성, 터븀인듐산화물(TbInO3)