양자 컴퓨터 기본 작동 원리와 현재 개발 상황

현재 일반적으로 널리 사용하고 있는 컴퓨터는 디지털로, 0과 1 두 가지 상태만 가지는 비트 bit를 기본 단위로 한다. 2진수를 사용해서 사칙연산 등 각종 데이터를 처리하는 형태인 것이다.

반면, 양자 컴퓨터는 0과 1의 중간 상태도 가질 수 있는 큐비트를 사용한다. 중첩이라는 단어로 표현하는데, 동전이 회전하고 있으면 앞면과 뒷면이 동시에 존재하는 것으로 여길 수 있는 상황을 생각할 수 있다. 또한 큐비트 여러 개가 서로 얽혀서 하나의 상태처럼 움직이는 얽힘이라는 현상도 있다. 

양자역학 현상 중 일부인 이런 중첩과 얽힘 현상으로, 양자 컴퓨터는 지금의 컴퓨터가 해결하기 어려운 문제들을 효율적으로 해결할 수 있다고 여겨진다. 

여기서 주의할 것은, 지금 단계에서 논의되고 있는 양자 컴퓨터가 무조건 빠르게 좋다고는 할 수 없다. 특정 분야에서 엄청난 성능을 발휘하는 것이다. 그 분야는 대략, 신약 개발이나 신소재 개발, 인공지능, 암호 해독 등 주로 병렬 처리가 핵심 성능이 되는 컴퓨팅 파워가 필요한 곳들이다. 

양자 컴퓨터의 원리

앞서도 언급했듯이 양자 컴퓨터는 중첩 상태를 이용해서 동시에 여러 계산을 효율적으로 수행할 수 있다. 이 부분에서 지금의 컴퓨터들에 비해서 월등히 높은 성능을 보여주기 때문에 양자 컴퓨터를 개발하려고 하는 것이라고 할 수 있다.

여기서 큐비트 수가 증가하면 양자 컴퓨터의 연산 능력은 기하급수적으로 증가한다. 몇 개의 큐비트만 더 늘어나도 연산 속도는 엄청나게 빨라지기 때문에, 일단 개발이 된다면 업그레이드를 통해서 성능을 높이는 것이 비교적 용이하다. 

양자 얽힘은 멀리 떨어진 두 입자가 서로 연결되어 있는 상태라고 할 수 있는데, 이러한 얽힘을 이용하면 정보를 안전하게 전달할 수 있다. 이를 이용하여 컴퓨터 연산 능력을 높이는 것과 함께, 전송 속도 또한 지금과는 비교도 안 되게 빨라질 수 있다. 

양자 컴퓨터가 특히 유용한 분야

양자 컴퓨터는 병렬 처리에서 월등한 성능을 보여주기 때문에, 이러한 컴퓨팅 파워가 필요한 분야에 사용되면 획기적인 혁신이 일어날 수 있을 것이라 여겨지고 있다. 

가장 대표적인 예가 인공지능 AI 분야이다. 현재도 지금의 컴퓨터 하드웨어 체계에서 AI 개발을 하기 위해서 하드웨어 성능을 높이거나 새로운 칩셋 등을 만들고 있다. 그러나 현 체계에서는 단기적으로 한계가 있는 실정이다. 여기서 미약하게나마 양자 컴퓨터가 보급된다면, 인공지능 모델 학습 속도 향상과 복잡한 문제 해결에서는 큰 효과를 볼 수 있다. 

신약 개발도 다양한 분석을 병렬 처리를 통해서 빠르게 할 수 있는 양자 컴퓨터가 도입된다면, 새로운 약물 후보 물질을 빠르게 찾아내는데 크게 도움이 된다. 또한 신소재 개발에서는 새로운 소재의 특성을 알아내고, 효율적인 에너지 저장 장치 등의 개발에 효과적으로 운용할 수 있다. 

암호 분야에서는 양자 컴퓨터가 보급된다면 현재 컴퓨터에서 사용되고 있는 암호는 거의 쓸모가 없어질 정도이다. 기존 암호 체계를 쉽게 풀 수 있기 때문인데, 그와 동시에 더욱 안전한 양자 암호 체계가 개발될 것으로 보고 있다. 

특히 비트코인 같은 암호화폐 쪽은 현재의 컴퓨터 암호 체계를 기반으로 구성되어 있기 때문에, 양자 컴퓨터가 나온다면 코인 채굴은 순식간에 이루어질 수 있다. 따라서 양자 컴퓨터가 개발됐다는 소식이 들린다면 세상에 암호화폐는 넘쳐날 것이다. 

양자 컴퓨터 개발 상황

구글, 마이크로소프트, IBM 등의 글로벌 IT 기업들과 스타트업들이 양자 컴퓨터 개발을 위해서 연구하고 있는 상황이라서, 관련 기술 발전 속도가 빨라지고 있는 상황이기는 하다.

그러나 아직 현실적으로 양자 컴퓨터는 초기 준비 단계라고 할 수 있다. 가장 문제가 되는 것은 현재 양자 컴퓨터는 절대 영도에 가까운 밀리켈빈 millikelvin 범위에서만 작동한다는 것이다. 

거의 절대 영도에 가깝게 온도를 유지해야 큐비트에 저장된 양자 데이터가 유지된다. 이 범위에서 온도가 벗어난다면 데이터가 손실된다. 또한 양자 데이터가 현실에서는 변질되거나 오류가 발생하는 경우도 꽤 있어서, 이런 문제도 해결해야 한다.

따라서 현재 연구자들은 비교적 고온 혹은 상온에서 작동하는 양자 컴퓨터를 개발하는 것을 급선무로 삼고 있다. 그래서 이에 대한 연구가 많이 펼쳐지고 있는 상황이며, 최근에 상온 초전도체에 관한 연구들이 이슈가 되고 있는 것도 결국은 양자 컴퓨터 개발에 한 발 가깝게 다가갈 수 있기 때문이라고 볼 수 있다. 

앞으로 가까운 시일 내에 양자 컴퓨터가 상용화 될 가능성은 없어 보인다. 그러나 특정한 기업이나 연구소 등에서 시험용으로 운용할 정도의 가능성은 있다. 그렇게라도 일단 가동이 된다면 기존 암호 체계가 먼저 무너질 것으로 보고 있다. 나중에 양자 컴퓨터가 비싸더라도 기업에서 운용할 수 있을 정도가 된다면, 이를 이용해서 일단 인공지능 분야가 크게 도약할 수 있을 것이다.