도대체 양자컴퓨터가 뭘까?
도대체 양자컴퓨터가 뭘까?
  • 김소연 인턴기자
  • 승인 2019.11.03 09:46
  • 댓글 0
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[디지털투데이 김소연 기자] 양자컴퓨터는 기존컴퓨터와 출발 자체가 다르다.

기존컴퓨터는 트렌지스터의 원리로 흑백논리처럼 전기가 통하지 않는 '0'과 전기가 통하는 '1' 두 가지로만 전기적 신호를 주고받는다. 심지어 정보를 전달하거나 계산할 때 한 번에 하나씩만 순차적으로 할 수 있다. 

지금까지는 컴퓨터의 기능 향상을 위해 반도체에 트랜지스터를 더 많이 장착함으로써 컴퓨터의 저장 기능과 작업 속도를 높였다. 기술이 발달하면서 트랜지스터는 점점 더 작아졌고, 이제는 기술 개발이 물리적인 한계에 부딪혀 이를 보완하고 돌파하기 위해 연구한 것이 양자컴퓨터다.

IBM의 양자컴퓨터 IBM Q 시스템 원 (사진=IBM)
IBM의 양자컴퓨터 IBM Q 시스템 원 (사진=IBM)

이 세상은 '확률'의 세계

양자컴퓨터는 기존컴퓨터처럼 전기 신호가 아닌, 양자의 중첩원리와 얽힘 현상을 이용해서 동작하는 컴퓨터다.

우선 양자역학이란 공기처럼 보고 있지만 전혀 보이지 않는, 화학적 단위로 더이상 쪼갤 수 없는 너무 작은 단위인 원자의 움직임을 말하는 이론이다. 기존 물리학과는 다르게 모든 결과가 '확률'에 의해 결정되는 것으로 해석하여 시간에 따라 다음을 예측하는 것이 불가능하다고 본다.

이것도 저것도 아닌 무궁무진한 상태

그렇다면 중첩원리란 무엇일까.

쉽게 말해, 한 번에 여러 상태로 존재할 수 있다는 것이다. 관측되기 전까지는 상태가 정해지지 않고, 관측이 되는 순간 상태가 정해진다. 원자라는 것은 너무너무 작아서 빛 한 줄기에도 큰 영향을 받기 때문에 관측되는 순간, 즉 무언가와 상호작용되는 순간 상태가 정해진다. 

예를 들어 뽑기 상자가 있다. 이 안에는 빨간 공과 파란 공 두 개만이 들어있다. 눈을 감고 공을 뽑아보자. 당신이 뽑은 공은 빨간색인가 파란색인가? 

빨간색 또는 파란색이라는 답을 했는가? 사실 우리는 눈을 떠서 공의 색깔을 확인하기 전까지는 이 공이 무슨 색인지 알 수 없다. 이 두근거리는 미지의 순간이 바로 빨간색일 수도 파란색일 수도 있는 중첩상태다. 우리가 눈을 떠야 빨간 공이거나 파란 공이거나 확실해진다.

이처럼 뭐든 될 수 있는 양자에 전기신호를 보내면, 0도 아니고 1도 아닌 상태로 있다가 우리가 자극을 주는 순간 0이 되거나 1이 되는 결과를 낸다. 따라서 무궁무진한 상태인 양자 중첩 상태를 유지하고 있어야 어떤 상태든 될 수 있고, 주어진 정보를 처리할 수 있다.

이 무엇도 아닌 완벽한 중첩상태를 유지하는 것이 양자컴퓨터의 핵심이다. 아무 영향도 받지 않는 상태로 만드는 방법 중 하나가 구글이 사용한 '초전도 소자 방식'이다. 움직이지 않게 극저온 상태에서 정보상태를 유지하려면 아무런 영향도 받지 않는 상태를 만드는 것이다. 이 초전도 상태가 되면 모든 것이 얼어붙은 것처럼 정지상태를 유지하고 내부저항이 없어지며 주어지는 신호만 받는 것이다.

구글의 양자컴퓨터. 양자우월성을 입증한 시카모어 칩이 내부에 있다. (사진=구글, Eric Lucero)
구글의 양자컴퓨터. 양자우월성을 입증한 시카모어 칩이 내부에 있다. (사진=구글, Eric Lucero)

양자컴퓨팅은 정말로 실현될까?

양자컴퓨팅이 실현되기에는 아직 문제가 많다. 초전도 상태가 되려면 일반물질은 절대 0도(-276도)가 돼야하고 시스템유지는 더 어렵다. 현재 약 -26도까지 개발된 우리나라가 세계 2~3위 수준이고, 상온 초전도체는 개발도 되지 않았다.

아직 실현되기에는 많은 문제가 있는 '실험단계'에 있지만 미래에 한 발 가까워진 양자컴퓨터.

IBM과 구글이 이러한 양자 우월성 입증에 성공했다는 소식이 들려오는 가운데, 지금의 슈퍼컴퓨터로는 풀 수 없는 아주 복잡한 영역의 연구에 응용하는 미래가 기대된다.

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