양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅이란?

양자 컴퓨팅(Quantum computing)은 양자역학의 고유한 특성을 이용하여 수학적 계산을 더 빠르게 수행하고, 부울 논리(Boolean logic)를 사용하는 현재의 컴퓨터로는 불가능한 계산 문제를 더 효율적으로 해결하는 방법을 연구하고 개발하는 분야다.

양자 역학(또는 양자 물리학)은 원자 및 아원자 수준에서만 발생하는 다양한 고유 현상을 설명하기 위한 수학적 틀을 제공하고자 하는 연구 및 개발 분야다.

양자 컴퓨팅의 작동 방식

양자 컴퓨터는 근본적으로 다른 방식으로 계산을 수행하기 때문에 고전 컴퓨터보다 빠르다.

고전 컴퓨터는 알고리즘이라는 단계별 절차를 사용해 0 또는 1로 표시되는 이진 비트를 조작하는 방식으로 수학적 연산을 수행한다. 결과는 결정론적이며, 이는 동일한 초기 조건이 주어지면 동일한 단계별 절차가 항상 동일한 결과를 산출한다는 것을 의미한다.

이와 대조적으로 양자 컴퓨터는 양자 비트(큐비트)를 조작하는 알고리즘을 사용하여 수학적 연산을 수행한다. 큐비트도 0과 1로 표현되지만, 두 상태가 동시에 중첩된 상태로도 존재할 수 있다. 동일한 초기 조건이 주어지면 동일한 양자 알고리즘은 하나의 결정론적 값 대신 모든 가능한 결과의 상대적 가능성에 대한 확률 분포를 생성한다.

슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학에서 중첩과 파동 함수 붕괴의 개념을 설명하기 위한 유명한 사고 실험이다. 이 사고 실험은 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 양자 물리학의 고유한 특성을 설명하기 위해 제안한 실험이다.

이 실험은 참가자에게 고양이를 밀폐된 상자에 독 약 1병, 방사성 원자와 함께 넣었다고 상상해보라고 요청한다. 이 방사성 원자는 붕괴할 수도 있고, 붕괴하지 않을 수도 있다.

방사성 원자가 붕괴하면 독이 방출되어 고양이가 죽게 된다. 방사성 원자가 붕괴하지 않으면 독약병은 그대로 남아 있고 고양이는 살 수 있다.

양자역학의 규칙에 따르면, 고양이와 원자를 포함한 전체 시스템은 실험의 가능한 모든 다양한 결과를 나타내는 하나의 파동 함수로 설명할 수 있다.

이 사고 실험의 맥락에서 파동 함수는 두 가지 상태의 중첩을 설명한다. 하나는 원자가 붕괴하여 독이 방출되고 고양이가 죽는 상태, 다른 하나는 원자가 붕괴하지 않아 독이 든 병이 그대로 남아 고양이가 살아 있는 상태다.

슈뢰딩거는 상자가 닫힌 상태를 유지하는 한, 고양이의 양자 상태가 원자의 양자 상태와 얽혀 있기 때문에 고양이는 두 상태의 중첩 상태에 머물 것이라고 설명했다.

그러나  누군가가 상자를 열고 시스템을 관찰하는 순간 파동함수는 붕괴될 것이고, 확률분포는 중첩상태에서 나온 모든 확률을 이용해 계산한 하나의 특정한 결과로 산출될 것이다. 고양이는 원자가 붕괴하지 않았을 가능성이 더 크다면 살아있을 것이고, 원자가 붕괴했을 가능성이 더 크다면 죽을 것이다.

슈뢰딩거의 사고 실험은 (1) 양자 시스템은 외부 관측(또는 측정)으로 인해 파동 함수가 붕괴될 때까지 여러 상태로 동시에 존재할 수 있으며, (2) 양자 세계의 측정은 본질적으로 확률적이라는 개념을 사람들에게 소개하는 데 자주 사용된다.

양자 컴퓨팅의 높은 비용과 결어긋남

양자 컴퓨팅은 여전히 매우 비싸고 오류가 많다. 양자 시스템이 외부 환경과 상호 작용할 때, 어떤 유형의 얽힘도 파동 함수가 붕괴되는 방식을 모방하여 양자 시스템이 고전 시스템처럼 동작하게 만들 수 있기 때문이다. 이러한 현상을 결어긋남(decoherence)이라고 한다.

결어긋남을 완화하고 큐비트가 여러 상태에 동시에 존재할 수 있게 하려면, 양자 컴퓨팅 시스템에는 큐비트를 온도 변동이나 전자기 간섭과 같은 외부 교란으로부터 보호하는 고도로 제어되고 격리된 환경이 필요하다.

큐비트를 극저온(절대 0도에 가깝게)으로 냉각할 수 있는 정교한 극저온 시스템과 외부 영향으로부터 큐비트를 보호할 수 있는 첨단 차폐 기술이 필요하다.

결어긋남을 효과적으로 관리할 수 있는 방법이 없다면 양자 시스템의 계산 능력이 현저히 저하된다. 결어긋남을 완화하는 방법, 예를 들어 오류 정정 코드와 격리 기법은 양자 컴퓨팅을 실용적이고 비용 효율적으로 만드는 데 있어 매우 중요한 문제다.

오늘날 양자 컴퓨팅은 어떻게 활용되고 있나?

양자 컴퓨팅의 잠재력에 대한 많은 기대가 있지만 양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계에 있으며, 양자 역학을 사용하여 고전 컴퓨팅을 개선하는 많은 실용적인 응용 분야도 여전히 초기 단계에 머물러 있다.

기술이 발전하고 양자 컴퓨터에 대한 접근성이 높아짐에 따라, 양자 컴퓨팅은 다음과 같은 광범위한 산업 분야에 지속적으로 영향을 미칠 것으로 예상된다.

암호학: 양자 컴퓨터는 현재 사용되고 있는 많은 암호화 체계를 잠재적으로 깨뜨릴 수 있으므로 새로운 양자 안전 암호화 기술의 개발이 필요하다.

제약 연구: 연구자들은 양자 컴퓨팅을 사용해 복잡한 분자 및 화학 반응을 모델링함으로써 잠재적으로 신약 개발과 의료 서비스 개선에 기여할 수 있다.

최적화 및 효율성: 교통 최적화, 공급망 물류, 재무 모델링과 같은 업무에 서비스형 양자 컴퓨팅 모델(Quantum-as-a-Service)이 사용되고 있다.

인공 지능 및 머신 러닝: 양자 컴퓨터는 머신러닝 알고리즘의 실행 속도를 높이고 인공지능 결과물을 보다 정확하게 만드는 데 사용되고 있다.

기후 모델링: 현재 상당한 연산 능력이 요구되는 복잡한 환경 시스템 모델링은 양자 컴퓨팅을 통해 혁신적으로 개선될 수 있다.

재료 과학: 양자 컴퓨팅은 새로운 초전도체 발견 등 재료 과학 분야에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다.

금융 모델링: 양자 컴퓨터는 거래 전략을 최적화하고 위험을 관리하며 금융 시스템의 모델링을 향상시키는 데 사용될 수 있다.

농업: 양자 시스템은 이미 식물의 DNA 서열을 분석하여 작물 수확량을 최적화하는 데 사용되고 있다.

위험 관리: 양자 컴퓨터는 방대하고 복잡한 데이터 세트를 분석하여 위험 모델을 개선하고 보다 정확한 위험 평가를 가능하게 하는 데 사용될 수 있다.

양자 시뮬레이션: 양자 컴퓨팅의 주요 강점 중 하나는 기존 컴퓨터로는 정확하게 모델링하기 어려운 복잡한 양자 시스템을 시뮬레이션할 수 있다는 점이다.