게임체인저 양자컴퓨터

여러분들 양자컴퓨터를 들어보셨나요? 주식에 관심이 많으신 분들은 아마 들어 보셨을 거예요. 이 것과 관련된 뜨거운 주식들이 많이 있지요. 그럼 양자역학은 들어 보셨나요? 보통 사람들에게 매우 낯선 단어였지만 최근 들어 미디어에 많이 소개가 되어 한번쯤은 들어 보셨을 겁니다. 안 들어보셨어도 크게 상관은 없어요. 어차피 우리는 양자역학을 연구하거나 양자컴퓨터를 개발하는 사람은 아니잖아요? 그것들이 어떤 용도로 사용되며 세상을 어떻게 바꾸게 될 것인지만 정확히 파악하면 충분하다고 생각합니다. 

 

우선 양자역학이라는 학문을 설명하는 것은 생략할께요. 사실 저도 잘 모르기도 하고요. 그 학문에서 지금 이야기하고자 하는 양자컴퓨터와 관련해서 핵심 키워드만 말씀드릴게요. 바로 '중첩'입니다. 쉽게 이야기해 드릴게요. 서울에서 부산까지 가는 길을 자동차에 있는 GPS에 입력하고 빠른 길을 요청합니다. 그러면 일반 컴퓨터의 경우 서울에서 부산까지 갈 수 있는 경우의 수를 모두 계산합니다. 물론 모든 경우의 수를 계산하지는 않겠지요. 만약 그렇다면 엄청난 시간이 걸릴 겁니다. 그래서 과거의 데이터를 미리 입력해 놓습니다. 그 경우의 수를 대폭 줄인다는 말이지요. 그 남아있는 경우의 수중에서 GPS에 내장된 칩이 최적의 길을 선택합니다. 만일 양자컴퓨터가 계산한다면? 아까 중첩이라는 말을 했습니다. 이 중첩이라는 말은 여러 가지의 상황을 동시에 존재하도록 해놓고 계산을 할 수 있다는 말입니다. 전통적인 컴퓨터의 경우 0과 1을 이용하여 여러 가지 데이터를 표시하고 모든 경우의 수를 대입하여 문제를 해결해 나갑니다. 반면에 양자컴퓨터는 이 수많은 경우의 수를 한꺼번에 계산을 할 수 있습니다. 이는 양자역학적 특징으로 새롭게 발견된 내용은 아닙니다. 1927년 하이젠베르크에 '불확정성의 원리(Uncertainity principle)'에서부터 시작되었죠.

 

이게 과연 어떤 변화를 이끌어 올 것인가가 우리의 입장에서 가장 중요한 내용이겠죠. GPS를 예로 들어 말씀드린것 처럼 일정분야에서 양자컴퓨터는 현재의 컴퓨터에 비해서 비교가 불가능할 정도의 성능을 발휘할 것이라 예상됩니다. 최근 발전 되고 있는 인공지능 AI의 발전에도 엄청난 가속을 붙여줄 거라 예상이 됩니다. 또한 엄청난 양의 계산을 필요로 하는 우주물리학 연구에도 엄청난 도움이 될 것입니다. 일상적으로 사용되는 암호에도 많은 변화가 있을 것입니다. 우리가 사용하는 암호는 여러 가지 문자를 조합하여 만드는 것인데, 이는 조합될 수 있는 경우의 수를 늘려서 타인이나 컴퓨터가 뚫지 못하게 만드는 원리로 작동되고 있습니다. 그러나 양자컴퓨터의 계산 속도 앞에서는 무력화되고, 그에 따라 현재 사용하는 암호 체계는 무의미해질 수밖에 없습니다. 새로운 방식의 개발이 필요할 수밖에 없겠지요. 

 

현재까지는 실용화단계에 이르지는 못하고 있습니다. 그 양자를 효율적으로 컨트롤 할 수 있는 기술이 없기 때문인데요. 양자컴퓨터는 큐비트를 사용해야 합니다. 이 큐비트는 오랜 시간 유지되기 힘든 특성이 있습니다. 절대영도에 가까운 매우 낮은 온도에서 초전도체를 이용해서 제조하고 또 작동하는 과정에서도 초전도 상태를 유지해야 하는 과제가 있습니다. 이런 조건을 만들기에 들어가는 비용 또한 엄청납니다. 2023년 초전도체를 개발했다고 발표되었던 한국의 연구진에 전 세계적인 관심이 쏠린 이유도 바로 이 때문이었습니다. 이러한 어려운 환경 속에서도 세계의 많은 기업들이 이를 개발하기 위하여 엄청난 노력을 하고 있습니다. 이 양자컴퓨터는 승자독식의 구조를 가지는 특성 때문인데요.

 

기존의 컴퓨터는 8비트, 16비트, 32비트, 64비트 같은 식으로 표현 하였습니다. 2의 N승으로 비트가 증가하는 방식이었습니다. 양자컴퓨터의 경우 8 큐비트 라고 한다면 2의 8승 즉 256비트와 같다고 예를 들 수 있겠습니다.(비트와 큐비트의 정확한 개념이 아닙니다. 다만 이해를 돕기 위해 단순 비교 예시를 들었습니다.) 우리가 최근 사용하는 가장 좋은 컴퓨터는 64비트 기반입니다. 그럼 양자컴퓨터가 64 큐비트가 된다면 얼마의 수치로 나타날까요? 18,446,744,073,709,551,615입니다. 이 또한 정확한 개념은 아닙니다만 수치의 차이를 보여 드리고 싶어 계산해 봤습니다. 이런 엄청난 연산 속도의 차이 때문에 처음 개발한 1등이 모든 것을 가지는 게임이 됩니다. 한마디로 개발에 성공한 1등과 2등의 격차는 아마도 영원히 좁혀지기 힘들 만큼의 속도 차이가 난다는 말이지요. 현재의 대표적 컴퓨터 칩셋 제조사인 INTEL과 AMD가 서로 엎치락 뒤치락하며 경쟁하는 모습 따위는 더 이상 없다는 말입니다. 이러한 현대의 흐름 속에서 우리는 어떤 준비를 할 수 있을까요? 물리학자도 컴퓨터 공학자도 아닌 저희 같은 사람이 말이죠. 이런 부분에서 생각이 많아지는 밤입니다.