양자컴퓨터란 무엇인가?-기술의 한계

 

다음 소개하는 <양자컴퓨터란 무엇인가-인간의 기술 한계(Quantum Computers Explained – Limits of Human Technology)> 동영상은 뮌헨의 모션픽쳐 스튜디오인 ‘크루츠게착트(In a Nutshell -By Kurzgesagt)가 오스트레일리아 과학원(Australia Academy ㅇf Sciences)의 지원을 받아 제작한 모션픽쳐 영상이다. 유튜브에 소개된 이 영상의 자막을 요약해 옮겨 보면 대략 다음과 같다. 

[자막]
초기 인간의 역사에서, 인간의 기술은 우리의 뇌, 불, 그리고 날카로운 창으로 구성되어 있었다. 불과 창이 각각 발전소와 핵무기로 변하는 동안 가장 큰 진보는 우리의 뇌에서 이루어졌다.

1960년대 이후부터, 우리의 뇌-기기들에 대한 기술들이 크게 발전하면서 컴퓨터의 크기를 줄이는 동시에 더 강력해지도록 만들었다. 하지만 이러한 과정은 이제 물리학적 한계에 다다랐는데, 컴퓨터부품들이 원자의 크기에 가까워지는 것이다

왜 이것이 문제가 되는지 이해하기 위해서는 몇 가지 기초사항을 알아야 할 필요가 있다.

컴퓨터는 아주 단순한 부품들로 이루어져 있고, 아주 단순한 작업을 한다. 그 부품들은 데이터를 표시, 처리, 통제하는 간단한 일을 한다. 컴퓨터 칩들은 모듈을 가지고 있는데, 그 모듈은 논리회로를 가지고 있고 논리회로는 트랜지스터를 포함하고 있다.

트랜지스터는 컴퓨터에서 가장 간단한 형식의 데이터 처리장치다. 기본적으로 그 스위치는 정보가 흐르는 통로를 막거나 열 수 있다. 이 정보는 기본적으로 0과 1이라는 상태로 지정될 수 있는 비트로 이루어져 있다.

비트 여러 개의 조합은 좀더 복잡한 정보를 나타낼 때 사용된다. 트랜지스터들은 매우 단순한 작업을 처리하는 논리회로를 생성하기 위해 결합된다. 예를 들어, And게이트는 만약 불러들인 정보의 값이 모두 1이라면 1을 출력하고, 그렇지 않을 경우 0을 출력한다.

이런 논리회로들의 결합이 마침내 두 숫자들을 더함으로 인해 의미 있는 모듈을 생성하게 된다. 일단 더하기가 가능해지면, 곱하기 또한 가능해지고 곱하기가 가능해지면, 모든 기본적인 연산이 가능해지는 것이다.

모든 기본적인 작동들이 1학년 수학보다 단순하기 때문에, 여러분은 컴퓨터를 기본적인 수학문제를 풀고 있는 7살 어린이 집단의 모습으로 상상할 수 있다. 이들을 충분히 모아 다발을 이룰 경우 천체물리학에서 젤다(게임)에 이르기까지 어떠한 것도 연산할 수 있다.

하지만 부품이 작아지고 작아질수록, 양자 물리학은 일을 까다롭게 만든다. 간단히 말해서, 트랜지스터는 단지 전기 스위치다. 전기는 한곳에서 다른 곳으로 이동하는 전자들이고 스위치는 전자들이 한 방향으로 움직이는 것을 통제해줄 수 있는 통로 역할을 한다.

오늘날 전형적인 트랜지스터의 크기는 대략 14나노미터(nm) 정도로, 대충 HIV바이러스의 지름보다 8배 작고 적혈구보다 500배 작다. 원자 지름이 0.25nm로 1nm는 원자 4개가 들어간다.

트렌지스터들이 원자 크기만큼 줄어들면, 전자들은 양자터널효과라는 과정을 통해 막혀있는 통로를 그냥 통과해 버릴 수 있다. 양자의 영역에서, 물리법칙은 우리가 익숙한 방식과 매우 다르게 작용한다. 그리고 기존의 컴퓨터들은 이해할 수 없는 방향으로 흘러간다. 우리는 우리의 기술적 진보에 대한 물리적 장벽에 다가가고 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 과학자들은 이런 특이한 양자적 속성을 컴퓨터의 장점에 사용하길 시도했고, 그 결과로 양자컴퓨터를 제작했다.

일반적인 컴퓨터에서는 비트가 정보의 가장 작은 구성단위다. 양자 컴퓨터는 또한 두 값 중 하나로 지정될 수 있는 '큐빗'을 사용한다. 큐빗은 회전상태와 자기장 혹은 단일광자상태와 같은 2가지 상태의 양자 시스템이 될 수 있다.

0과 1의 시스템은 광자의 수평적 혹은 수직적 분극화와 같은 가능성 있는 상태다. 양자의 세계에서 큐빗은 그 둘 중 하나의 상태로 남아있을 필요가 없고, 동시에 2가지 비율의 상태가 될 수 있는데, 이것이 바로 '중첩'(superposition)이라고 불린다.

하지만 일단 당신이 광자를 필터에 보내 통과시킴으로써 값을 알아보려고 시도하자마자, 그것은 수직, 혹은 수평적으로 분극화(polarized)가 결정되어버린다. 일단 큐빗이 관측되지 않으면, 큐빗은 0혹은 1의 중첩 가능성을 가지고 있는 것이고 당신은 어떠한 것이 될 것이라 예측할 수 없다.

그러나 당신이 그것을 측정한 순간, 그것은 하나의 명확한 상태로 와해(collapse)된다. 이때 '중첩'은 아주 결정적인 역할을 한다. 고전적인 비트는 평행한 각각 4개의 다른 수치들에 둘 중 하나가 될 수 있습니다. [좀 더 이해하기 위해 영상에 있는 그림을 참조] 즉 당신이 오직 하나만 사용할 수 있는 16가지의 가능한 조합이 있다는 소리다. 

그러나 중첩상태의 큐빗에서는, 이러한 16가지의 조합들이 동시에 가능하며, 이 숫자들은 기하급수적으로 각각의 추가적인 큐빗과 함께 증가하게 된다. 그들 중 20개만 있어도 이미 약 100만에 달하는 값들을 동시에 저장할 수 있다.

큐빗이 가질 수 있는 이 이상하고도 불확실한 속성은 바로 '얽힘'(Entanglement)이다. 밀접한 연결은(close connection) 그들이 얼마나 멀리 떨어져 있든 간에 순간적으로 각각의 큐빗들을 다른 상태의 변화로 반응하게 한다. 이는 즉 당신이 얽힌 큐빗 하나만을 측정할 때, 당신은 또 다른 얽힌 큐빗을 관측할 필요 없이 그 속성을 바로 사용할 수 있다는 것을 의미한다.

큐빗의 이용은 물론 정말 어렵다. 일반적인 논리회로는 간단한 일렬의 입력값을 가지고 하나의 명확한 결과값을 내놓는다. 양자 게이트는 중첩의 입력 값을 이용하고, 확률의 원리를 돌려서 또 다른 중첩 결과값을 도출한다. 그래서 양자 컴퓨터는 일부 큐빗을 마련해, 그들(큐빗)과 얽히게 하기 위해 양자게이트를 적용하고 확률을 이용해서 마침내 결과를 측정하게 되는데 중첩들을 0과 1들의 실질적 순차로 와해(collapsing)시킨다.

이것은 여러분이 설정한 모든 구성과 함께 전체적인 많은 연산들을 동시에 얻어낼 수 있다는 것을 의미한다. 최종적으로 당신은 결과들 중 하나만 측정할 수 있고, 그것은 아마도 당신이 원하는 한 가지일 것이다. 그래서 당신은 아마 두 번 확인, 혹은 다시 시도해야 할 것이다.

하지만 중첩과(superposition) 얽힘을(entanglement) 현명하게 이용함으로써, 이것은 일반적인 컴퓨터에서 가능했던 것보다 훨씬 더 효율적일 수 있다. 양자컴퓨터가 아마 우리의 집에 있는 가정용 컴퓨터들을 대체하지 않을 수 있지만, 일부 영역에선 그들은 아주 우월할 것이다.

그중 하나가 데이터베이스 검색이다. 데이터베이스 안에서 무언가를 찾기 위해는, 일반적인 컴퓨터라면 아마 그 모든 것들을 하나하나씩 검토해 보아야한다. 양자 알고리즘은 그에 비해서 걸리는 시간이 제곱으로 적게 들고, 큰 데이터베이스를 다룰 땐 엄청 큰 차이가 난다.

가장 잘 알려져 있는 양자 컴퓨터의 활용은 IT보안을 뚫는 것이다. 당신의 브라우징, 이메일, 뱅킹 데이터는, 상대에게 공개 키(Public Key)를 제공해 당신만이 해독할 수 있게 메시지를 암호화하는 보안시스템으로 안전하게 보관되고 있다.

문제는 이 공개키가 당신의 개인 키(Private Key)를 계산하는데 사용될 수 있다는 것이다. 다행히도 일반 컴퓨터로 이 계산을 하기 위해서는 수년 동안 시간이 필요하다. 하지만 양자컴퓨터의 기하급수적인 계산속도로는 순식간에 끝나버린다.

또 하나의 흥미로운 활용은 모의실험이다. 양자 세계의 모의실험은 컴퓨터에 과도한 무리를 주고 분자와 같은 더 큰 구조로는 대체로 정확도가 떨어진다.

그렇다면 양자물리를 양자컴퓨터로 실험하는 것은 어떨까? 양자 모의실험은 우리에게 단백질에 관한 새로운 사실을 제공해주어서 의학에 혁신을 일으킬 수도 있다. 지금 당장은 양자컴퓨터가 전문적인 도구로만 사용될지, 아니면 인류에 혁명을 가져다줄 수 있을지는 알 수 없다. 우리는 기술의 한계를 짐작할 수 없고, 한계를 알아보는 방법은 한 가지밖에 없다. 

iT뉴스 / 김들풀 기자  itnews@