양자 컴퓨터는 양자역학의 법칙을 사용하여 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 너무 크거나 복잡한 문제를 해결하는 프로세스입니다.
양자 컴퓨터는 큐비트에 의존하여 다차원 양자 알고리즘을 실행하고 해결합니다.
실제로 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨팅과 크게 다릅니다.
윌프리드 로리어 대학의 양자 물리학자 쇼히니 고세는 양자 컴퓨팅과 기존 컴퓨팅의 차이를 전구와 촛불에 비유했습니다:
“전구는 단순히 더 나은 양초가 아니라 완전히 다른 것입니다.”
양자컴퓨터 원리
양자컴퓨터는 양자 이론의 원리를 사용하여 수학적 문제를 해결하고 양자 모델을 실행합니다. 모델링에 사용되는 양자 시스템에는 광합성, 초전도 및 복잡한 분자 형성이 포함됩니다.
양자컴퓨터 원리와 작동방식을 이해하려면 먼저큐비트, 중첩, 얽힘 및 양자 간섭을 이해해야 합니다.
큐비트란?
양자 비트 또는 큐비트는 양자 컴퓨팅의 기본 정보 단위입니다. 기존 컴퓨팅의 전통적인 이진 비트와 비슷합니다.
큐비트는 중첩을 사용해 한 번에 여러 상태에 존재합니다. 이진 비트는 0 또는 1만 나타낼 수 있습니다. 큐비트는 0 또는 1이 될 수도 있고, 0과 1의 일부가 중첩된 상태일 수도 있습니다.
큐비트는 무엇으로 구성되나요?
양자 시스템이 제대로 작동하려면 극도로 낮은 온도가 필요하기 때문에 양자 시스템의 아키텍처에 따라 답은 달라집니다.
큐비트는 갇힌 이온, 광자, 인공 또는 실제 원자 또는 준입자로 만들 수 있으며, 2진 비트는 실리콘 기반 칩인 경우가 많습니다.
중첩이란?
중첩을 설명할 때 어떤 사람은 슈뢰딩거의 고양이를 떠올리고, 어떤 사람은 동전 던지기를 할 때 동전이 공중에 떠 있는 순간을 가리킵니다.
간단히 말해, 양자 중첩은 양자 입자가 가능한 모든 상태의 조합일 때 나타나는 모드입니다. 양자 컴퓨터가 각 입자를 측정하고 관찰하는 동안 입자는 계속 변동하고 움직입니다.
워털루 대학교 양자 컴퓨팅 연구소의 과학 홍보 매니저인 존 도노휴는 중첩의 더 흥미로운 점은 한 번에 두 가지에 초점을 맞춘다는 점보다는 양자 상태를 여러 가지 방식으로 살펴보고 다양한 질문을 던질 수 있다는 점이라고 말합니다.
즉, 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터처럼 순차적으로 작업을 수행하는 대신 방대한 수의 병렬 연산을 실행할 수 있습니다.
이는 방정식을 풀기 전에 우리가 얻을 수 있는 최대한의 단순화입니다. 하지만 중요한 점은 이러한 중첩이 양자 컴퓨터가 “모든 경로를 한 번에 시도”할 수 있게 해준다는 것입니다.
얽힘이란?
양자 입자는 측정값을 서로 대응시킬 수 있으며, 양자 입자가 이러한 상태에 있을 때 이를 얽힘이라고 합니다.
얽힘 상태에서는 한 큐비트의 측정값을 사용해 다른 큐비트에 대한 결론에 도달할 수 있습니다.
얽힘은 양자 컴퓨터가 더 큰 문제를 해결하고 더 큰 데이터와 정보 저장을 계산하는 데 도움이 됩니다.
양자 간섭이란?
큐비트는 중첩을 경험하면서 자연스럽게 양자 간섭을 경험할 수 있습니다.
이 간섭은 큐비트가 어떤 식으로든 붕괴할 확률을 의미합니다.
양자 컴퓨터는 간섭의 가능성 때문에 간섭을 줄이고 정확한 결과를 보장하기 위해 노력합니다.
양자컴퓨터 한계
양자컴퓨터는 여러 산업 분야의 발전과 문제 해결을 위한 엄청난 잠재력을 제공합니다. 하지만 현재로서는 여러가지 한계가 있습니다.
큐비트 환경의 사소한 교란으로 인해 디코히어런스, 즉 붕괴가 발생할 수 있습니다. 이로 인해 계산이 붕괴되거나 오류가 발생할 수 있습니다. 양자컴퓨터는 연산 단계에서 모든 외부 간섭으로부터 보호되어야 합니다.
연산 단계에서의 오류 수정은 아직 완벽하지 않습니다. 따라서 계산이 잠재적으로 불안정할 수 있습니다. 큐비트는 디지털 데이터 비트가 아니기 때문에 기존 컴퓨터에서 사용하는 기존의 오류 수정 솔루션의 이점을 누릴 수 없습니다.
계산 결과를 검색하면 데이터가 손상될 수 있습니다. 특정 데이터베이스 검색 알고리즘과 같이 측정 행위로 인해 양자 상태가 정답으로 변하는 것을 보장하는 개발이 유망합니다.
보안 및 양자 암호화는 아직 완전히 개발되지 않았습니다.
큐비트의 부족으로 인해 양자 컴퓨터의 잠재력을 충분히 활용하지 못하고 있습니다. 연구자들은 아직 128개 이상의 큐비트를 생산하지 못했습니다.
글로벌 에너지 리더인 이베르돌라에 따르면 “양자 컴퓨터는 대기압이 거의 없고, 주변 온도가 영하(-273°C)에 가깝고, 지구 자기장으로부터 절연되어 원자가 움직이거나 서로 충돌하거나 환경과 상호작용하는 것을 방지해야 한다”고 합니다.
또한 이러한 시스템은 매우 짧은 시간 동안만 작동하기 때문에 정보가 손상되어 저장할 수 없으므로 데이터를 복구하기가 더욱 어렵습니다.
양자컴퓨터 기업
구글
구글은 2029년까지 양자 컴퓨터를 구축하기 위해 수십억 달러를 투자하고 있습니다.
구글은 이 목표를 달성하기 위해 캘리포니아에 구글 AI라는 캠퍼스를 열었습니다.
양자 컴퓨터가 개발되면 구글은 클라우드를 통해 양자 컴퓨팅 서비스를 출시할 수 있습니다.
IBM
IBM은 2023년까지 1,000큐비트 양자 컴퓨터를 구축할 계획입니다. 현재 IBM은 퀀텀 네트워크에 가입한 연구 기관, 대학, 연구소에 한해 자사 머신에 대한 액세스를 허용하고 있습니다.
Microsoft
Microsoft는 Azure Quantum 플랫폼을 통해 기업에 양자 기술에 대한 액세스를 제공합니다.
기타
JP모건 체이스와 비자 같은 금융 서비스 회사에서 양자 컴퓨팅과 그 기술에 관심을 보이고 있습니다.
양자컴퓨터 전망
양자컴퓨터는 아직 까다롭고 비협조적인 단계에 있지만, 그렇다고 해서 상업적 이해관계가 양자컴퓨터에 뛰어드는 것을 막지는 못했습니다.
IBM은 2020년 소비자 가전 전시회에서 이른바 Q 네트워크가 100개 이상의 기업 및 조직으로 확장되었다고 발표했습니다. 이제 파트너는 델타항공, 앤섬 헬스, 메르세데스-벤츠를 소유한 다임러 AG에 이르기까지 다양합니다.
이러한 파트너십 중 일부는 앞서 언급한 분자 시뮬레이션 측면에서 양자 컴퓨팅의 잠재력에 달려 있습니다. 예를 들어, 다임러는 언젠가 이 기술을 통해 더 나은 전기 자동차 배터리를 생산할 수 있기를 희망하고 있습니다.
그 밖에도 1Q비트와 바이오젠, 프로테인큐어와 아스트라제네카가 맺은 파트너십과 같이 양자 컴퓨팅 스타트업과 제약 업계의 선도 기업 간의 파트너십은 아직 멀었지만 양자 분자 모델링의 신약 개발 가능성을 시사합니다.
이론 물리학자 사빈 호센펠더는 Guardian 에서 “새로운 물질의 화학적 특성”을 계산하려면 수백만 개의 큐비트가 필요하다고 지적했습니다.
하지만 개념적 토대는 적어도 존재합니다.
“양자 컴퓨터는 이미 양자역학을 알고 있기 때문에 기본적으로 다른 양자 시스템이 어떻게 작동할지 프로그래밍하고 이를 사용하여 다른 양자 시스템을 반영할 수 있습니다.”라고 도노휴는 설명합니다.
양자 공학 소프트웨어 회사인 Q-CTRL의 설립자 마이클 비어쿡(Michael Biercuk)은 사람들에게 “지금 중요한 유일한 기술적 상업적 이정표는 양자 우위”이며, 그가 사용하는 용어대로 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 시간이나 비용 면에서 우위를 점할 때를 말합니다.
그는 낙관론자 중 한 명입니다. 그는 이러한 목표를 달성하는 데 5년에서 8년 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상합니다.
