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양자컴퓨터란, 큐비트로 계산하는 원리와 흔한 오해
한 줄로
양자컴퓨터는 0과 1 가운데 하나만 담는 비트 대신, 0과 1을 겹쳐 담을 수 있는 큐비트로 계산하는 컴퓨터입니다. 모든 계산이 빨라지는 것이 아니라, 몇몇 종류의 문제에서 기존 컴퓨터가 못 가는 길을 갑니다.
비트와 큐비트
양자컴퓨터란 무엇인지는 계산의 단위에서 갈립니다. 한국과학기술정보연구원(KISTI)의 과학향기는 우리가 쓰는 컴퓨터가 0 또는 1로 정보를 표현하는 ‘비트’를 쓰고, 양자컴퓨터는 ‘중첩’이라는 현상을 이용한 ‘큐비트’를 쓴다고 설명합니다.
중첩은 한 대상이 여러 상태를 동시에 띠는 양자역학의 성질입니다. IBM은 큐비트가 비트처럼 0이나 1을 담을 수도 있지만, 둘을 일정한 비율로 섞은 상태로도 있을 수 있다고 적습니다.
어떻게 답을 만드나
공중에서 돌고 있는 동전을 떠올리면 쉽습니다. 돌고 있는 동안에는 앞면도 뒷면도 아닙니다. 손바닥에 떨어지는 순간 하나로 정해집니다. 큐비트도 값을 읽는 순간 0이나 1 하나로 정해집니다.
비유가 틀리는 곳이 핵심입니다. 동전의 가능성은 서로 부딪치지 않습니다. 큐비트의 가능성은 파동처럼 겹쳐서, 어떤 답은 서로 키우고 어떤 답은 서로 지웁니다. IBM은 이것을 ‘간섭’이라 부르고 양자 계산의 엔진이라고 표현합니다.
여기에 ‘얽힘’이 더해집니다. 얽힘은 여러 큐비트의 상태가 서로 묶이는 성질입니다. IBM 설명에 따르면 얽힌 큐비트 하나를 재면 묶인 다른 큐비트의 정보도 바로 알 수 있습니다.
정리하면 이렇습니다. 큐비트를 중첩과 얽힘으로 한꺼번에 묶고, 간섭으로 틀린 답은 줄이고 맞는 답은 키운 뒤, 마지막에 잽니다. 그래서 IBM은 양자컴퓨터가 하나의 답보다 가능한 답의 범위를 확률로 내놓는 경우가 많다고 설명합니다.
무엇이 다른가
| 구분 | 기존 컴퓨터 | 양자컴퓨터 |
|---|---|---|
| 계산 단위 | 비트(0 또는 1) | 큐비트(0과 1의 중첩) |
| 결과 | 대개 하나의 답 | 답의 범위를 확률로 |
| 작동 환경 | 상온 | 절대영도 가까이 냉각 |
| 약점 | 경우의 수가 폭발하는 문제 | 잡음·오류에 약함 |
큐비트는 다루기 까다롭습니다. IBM은 큐비트가 작동하려면 절대영도보다 겨우 1도도 안 되게 높은, 우주 공간보다 차가운 온도로 식혀야 한다고 적습니다. 과학향기도 초전도 방식은 영하 273도를 유지해야 하는 것이 걸림돌이라고 설명합니다.
양자 상태는 쉽게 깨집니다. 주변 환경의 영향으로 큐비트가 양자 성질을 잃는 것을 ‘결어긋남’이라고 합니다. 과학향기는 큐비트 개수가 늘어날수록 성능이 오르지만 오류율도 함께 늘어난다고 짚습니다. 큐비트를 많이 모으는 것보다 오류를 잡는 것이 더 어려운 과제인 이유입니다.
어디에 쓰이나
지금 하는 것. 양자컴퓨터는 연구용 장비로 만들어져 돌아가고 있습니다. 과학향기에 따르면 국내에서는 한국표준과학연구원이 2024년 1월 20큐비트 양자컴퓨터를 개발해 공개했습니다. IBM은 실제 작업에서 양자컴퓨터와 기존 컴퓨터가 한 흐름 안에서 함께 문제를 푼다고 설명합니다.
기대에 머문 것. IBM은 양자컴퓨터가 두 종류의 일에 널리 쓰일 것으로 기대한다고 적습니다. 분자나 소재 같은 물리 시스템의 움직임을 흉내 내는 일, 그리고 정보 속에서 패턴과 구조를 찾는 일입니다. 신약·배터리 소재 설계가 자주 거론되는 까닭이 여기에 있지만, 아직 ‘기대된다’의 단계입니다.
흔한 오해
모든 경우의 수를 동시에 계산해 한 번에 정답을 낸다. 절반만 맞습니다. 중첩 상태로 많은 가능성을 함께 다루는 것은 맞지만, 재는 순간 결과는 하나로 정해집니다. 양자컴퓨터의 힘은 한꺼번에 계산하는 데서가 아니라, 틀린 답을 서로 지워 맞는 답이 나올 확률을 키우는 데서 나옵니다. 그렇게 짤 수 있는 문제에서만 빨라집니다.
곧 내 컴퓨터와 스마트폰을 대체한다. IBM 설명처럼 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 함께 일하는 장비입니다. 문서 작성이나 영상 재생처럼 일상적인 일은 기존 컴퓨터가 잘합니다. 극저온으로 식혀야 한다는 점도 개인용 기기와는 거리가 멉니다.
지금 당장 인터넷 암호가 다 깨진다. 아직 그런 기계는 나오지 않았습니다. 다만 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 일부 전문가가 지금의 암호를 깰 수 있는 장치가 10년 안에 나올 수 있다고 본다고 적습니다. 그래서 NIST는 2024년 8월 양자컴퓨터 공격에 버티는 암호 표준 세 가지를 확정했습니다. 해외 기관의 판단이지만, 암호를 미리 바꿔 두는 준비가 이미 시작됐다는 뜻입니다.
근거
- ‘꿈의 컴퓨터’ 양자컴퓨터, 어디까지 왔을까? · 한국과학기술정보연구원(KISTI) 과학향기
- What Is Quantum Computing? · IBM, 해외 자료
- What is a qubit? · IBM, 해외 자료
- NIST Releases First 3 Finalized Post-Quantum Encryption Standards · 미국 국립표준기술연구소(NIST), 해외 자료