양자 컴퓨팅이 우리 주변에서 자주 접할 수 있는 상용화가 가능한 시점이 이제 5년 내로 다가오고 있습니다.
이번 포스팅에서는 가까운 미래의 컴퓨팅인 양자 컴퓨팅의 여러 종류, 현재 봉착한 문제점들과 어렵다고 느끼는 양자 중첩과 얽힘을 쉽게 풀어 보겠습니다.
양자 컴퓨팅의 종류는?
현재 다양한 양자 컴퓨팅이 존재합니다. 각 종류마다 구동하는 환경도 다르고 하드웨어도 다릅니다.
A. 초전도체 방식 (Superconducting)
이 방식은 양자 컴퓨팅에서 가장 유명한 방식입니다. 초전도체식 양자 컴퓨팅은 초전도체를 사용하는 하드웨어를 이용하여 초저온에서 큐빗을 제어하는 방식입니다. 이 방식의 컴퓨팅을 제작하는 기업은 IBM, Rigetti, Google, IQM 등이 있습니다.
B. 이온트랩 방식 (Trapped Ions)
이온트랩 방식은 전자기장을 이용하여 원자의 이온을 붙잡아 두는 방법을 사용합니다. 인공으로 만들어진 큐비트가 아니고 자연 그대로의 큐비트를 사용하여 오류율이 다른 방식보다 우월하게 적습니다. 이 방법은 상온에서도 가능하다고 합니다.
이 방식의 기업은 Quantinuum, IonQ, Quantum Factory, Alpine Quantum Technology등이 있습니다.
C. 중성원자 방식 (Neutral Atoms)
중성원자식은 이온트랩식과 유사하지만 전자기장이 아닌 빛을 이용하여 큐비트를 제어합니다. 이 방법도 상온에서 가능하죠. 이 방식을 사용하는 기업은 Pasqal, QuEra등이 있습니다.
D. 광자 방식 (Photonic)
광자식은 압착 광 펄스를 방출하는 양자 광원과 연속 조작자의 모드(위치 또는 가속도)에 해당하는 큐비트를 사용합니다. 빛의 속도로 빠르게 질주하는 광자들을 측정하며 그 뒤의 큐비트를 빠르게 계속 제어하는 방법입니다. 위이 다른 방식보다는 발전이 더디지만 오류 정정이 쉽고 상온에서 작동가능 하므로 관심을 받는 방식입니다. 이 방식의 기업은 Xanadu, QCI (Quantum Computing Inc) 등이 있습니다.
양자 컴퓨팅의 문제점은?
현재 양자 컴퓨팅의 문제점은 초전도체 방식일 경우 큐비트가 활동하는 환경이 극저온과 진공이여야 하여 거의 우주 수준으로 환경을 만들어야 하는 어려운 문제가 있습니다. 초전도체가 아닌 방식들 중에 상온에서 구동이 가능한 방식들이 존재하지만 아직도 외부 환경에 영향을 아주 잘 받아 큐비트를 이용한 계산의 오류가 아주 높습니다. 이런 이유로 오류 정정의 방법들이 연구가 되고 있는 실정입니다.
양자 컴퓨팅의 미래
오류가 현재 고전 컴퓨터보다 낮아지는 시기가 양자 우월 (Quantum Supremacy)인데 이 시기는 양자 컴퓨터가 현존하는 슈퍼 컴퓨터를 능가하는 시기입니다. 나날이 새로운 연구 결과와 뉴스가 나오는 시기라 기술 발전의 성장 모형인 이차성장모형을 따르자면 양자 우월의 시기는 아주 빠르게 다가올 것입니다. 이런 이유로 각 나라마다 서로 엄청난 물량을 투자하는 중이죠.
현재 양자 컴퓨팅을 개발하는 나라는 아래와 같고 원의 크기는 그 나라 기업의 개수입니다.
아래의 차트는 현 시점 (2024년)에서 예측한 양자 컴퓨팅의 시장 크기이지만 기하 급수적으로 발전하는 기술을 보면 아마도 더 클 것 같습니다.
Quantum Computing Report의 Global Quantum Intelligence에 의하면, 위의 차트와 같이 2030년이 넘어가는 시점에서 세계 시장의 사이즈는 미화 100억 달러 (한화 14조원) 의 규모가 될 것이고 2035년에 250억 달러 (한화 35조원)의 규모가 될 전망이라고 합니다.
양자 중첩 (Quantum Superposition)
양자 중첩이라는 말은 현재 우리가 이용하는 이진법 컴퓨팅에서는 불가능 한 이야기입니다. 0과 1의 상태가 공존한다는 뜻이거든요. 현재 컴퓨팅에서는 0또는 1만 존재할 수 있습니다. 하지만 양자의 세계에서는 우리가 확인하기 전까지는 0과 1의 상태가 존재하게 됩니다.
이것을 잘 설명한 예제가 슈뢰딩거의 고양이 (Schrödinger's Cat) 입니다. 박스 내부에 고양이와 고양이가 죽을 수 있게 할 수 있는 독약을 퍼뜨리는 스위치를 넣습니다. 박스 내부를 보지 않고는 고양이의 생사여부를 모르죠.
이 논리가 양자 중첩입니다. 우리가 확인하기 전까지는 고양이의 상태는 죽었다 (0), 살았다 (1)가 동시에 존재하는 중첩 상태가 되는 것이죠. 큐비트의 상태도 이렇게 확인 전까지는 0과 1을 왔다갔다하는 중첩상태가 됩니다.
우리가 알지 못하는 생사의 여부가 50%씩 존재하므로 위와 같은 공식이 성립하게 됩니다.
그리하여 큐비트는 눈으로 확인 전까지는 스케이트 보드를 타고 있는 이 아이와 같이 0과 1을 왔다 갔다 하는 중첩 상태가 됩니다. 그러므로 우리는 0과 1의 상태를 동시에 입력하여 계산이 가능한 양자 역학 계산을 할 수 있는 것입니다.
아주 쉬운 예제가 또 있습니다. 연애 중인 A와 B가 5년동안 지구와 화성으로 떨어지게 되었습니다. A는 B에게 결혼과 이별이 각각 하나씩 적힌 두 장의 쪽지 중 하나를 건냅니다. 나머지 한 장은 A가 가지고 있게 됩니다. 그리고 B에게 A는 5년 후 지구로 귀환하기 전에 화성에서 열어보라고 합니다. 그러면 B가 가지고 있는 쪽지는 열어보기 전까지는 결혼, 이별의 두 상태가 똑같이 존재하는 중첩의 상태가 됩니다. ^^;
양자 얽힘 (Quantum Entanglement)
그러면 양자 얽힘은 무엇일까요? 양자 얽힘은 상호작용을 하는 양자들은 서로의 관계가 얽혀 있어서 모든 상태의 값이 좌우된다 라는 논리입니다. 서로 엮여 있는 큐비트들은 항상 유지하려는 상태가 있습니다. 최소의 에너지 상태를 유지하려는 것이죠. 그래야 최상의 환경이 되는 것이죠.
쉽게 말했을 때, 우리가 항상 취하려는 행동은 우리가 가장 적게 소비하는 에너지 상태, 즉 편한 상태를 유지하려고 하죠? 같은 이치입니다. 큐비트들이 모여 있을 때, 엮여 있는 최적의 상태가 이 최저의 에너지 상태입니다.
그러므로 얽힘이란 이 최저 에너지 상태는 시간이 지나면 반드시 자연적으로 생기는 상태이므로 오류가 없다면 시간이 지난 후 들여다보았을 때 엮여 있는 모든 큐비트의 상태를 한꺼번에 순식간에 정확히 알게 됩니다. 엄청난 논리이죠. ^^;
예를 들자면 이 전의 A와 B의 이야기에서 B가 화성에서 5년 후 지구로 귀환하기 전 가지고 있는 쪽지를 열어 봤을 시, ‘결혼’이라는 글이 쓰여 있으면 자연적으로 같은 시간에 지구에서 A가 가지고 있는 쪽지는 무엇일까요? ‘이별’이라는 값을 가지고 있겠죠? 화성에서 값을 측정하여 지구에 있는 서로 얽혀 있는 큐비트의 값을 바로 알게 됩니다.
이것이 양자 순간이동 (Quantum Teleportation)입니다. 빛의 속도 보다 빠른 확인 시에 바로 알게 되는 논리로 얽혀 있는 모든 큐비트의 값을 단번에 알죠. 중요한 점은 데이터의 교환이나 통신이 서로 일어나지 않은 점입니다. 얽힘으로 계산된 방법이죠. 그래서 이 순간이동은 데이터의 통신이 빛보다 빠르다는 뜻이 아닙니다.
이번 포스팅에서는 이렇게 양자 컴퓨팅의 현재 상황, 종류, 그리고 중요한 중첩과 얽힘에 관하여 쉽게 풀어 보았습니다. 감사합니다.
