* 양자 컴퓨터는 암호화, 재료 과학, 최적화 문제 그리고 머신 러닝 분야에 혁신적인 영향을 미칠 것으로 예측됩니다.
* 현재 양자 컴퓨터 기술은 오류 수정과 응용 프로그램 개발을 향해 진화 중이며, 장기적으로 오류 없는 양자 컴퓨터의 개발이 목표입니다.
지난 6월, IBM의 한 컴퓨팅 임원은 양자 컴퓨터가 첨단 실험 장치가 유용해지는 ‘실용화’ 단계에 접어들고 있다고 주장했습니다. 9월에는 호주의 수석 과학자 캐시 폴리가 “양자 시대의 여명“을 선언하기도 했습니다.
지난 달에는 호주 물리학자 미셸 시몬스가 실리콘 기반 양자 컴퓨터 개발 연구로 호주 최고의 과학상을 수상했습니다.
분명 양자 컴퓨터는 지금 중요한 순간을 맞이하고 있습니다. 하지만 한 걸음 물러서서 양자 컴퓨터란 정확히 무엇일까요?
양자 컴퓨터란?
컴퓨터를 생각하는 한 가지 방법은 컴퓨터가 사용하는 숫자의 종류로 생각하는 것입니다.
우리가 매일 사용하는 디지털 컴퓨터는 정수(또는 정수)를 사용하여 정보를 0과 1 문자열로 표현하고 복잡한 규칙에 따라 재배열합니다. 전기 회로나 회전하는 로터 또는 움직이는 유체를 통해 조작하여 정보를 지속적으로 변화하는 숫자(또는 실수)로 표현하는 아날로그 컴퓨터도 있습니다.
16세기에 이탈리아의 수학자 지롤라모 카르다노는 음수의 제곱근 찾기와 같이 불가능해 보이는 작업을 해결하기 위해 복소수라는 또 다른 종류의 숫자를 발명했습니다. 20세기에 양자 물리학이 등장하면서 복소수가 빛과 물질의 세세한 부분까지 자연스럽게 설명할 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다.
1990년대에는 양자 물리학에서 인코딩된 복소수로 직접 작동하는 알고리즘을 사용하면 일부 문제를 훨씬 빠르게 해결할 수 있다는 사실이 발견되면서 물리학 및 컴퓨터 과학이 충돌했습니다.
그 다음 논리적 단계는 빛과 물질로 작동하는 장치를 만들어 이러한 계산을 자동으로 수행하는 것이었습니다. 이것이 바로 양자 컴퓨팅의 탄생입니다.
양자 컴퓨팅이 중요한 이유
우리는 보통 컴퓨터가 하는 일을 스프레드시트의 균형을 맞추고, 라이브 비디오를 전송하고, 공항까지 갈 수 있는 교통수단을 찾아주는 등 우리에게 의미 있는 일이라고 생각합니다. 하지만 이 모든 것은 궁극적으로 수학적 언어로 표현된 계산 문제입니다.
양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계이기 때문에 양자 컴퓨터가 해결할 것으로 알려진 대부분 문제는 추상적인 수학으로 표현됩니다. 이 중 일부는 우리가 아직 예측할 수 없는 “현실”에 적용될 수 있지만, 다른 일부는 더 즉각적인 영향을 미칠 것입니다.
초기 응용 분야 중 하나는 암호화입니다. 양자 컴퓨터는 오늘날의 인터넷 암호화 알고리즘을 해독할 수 있기 때문에 양자 내성 암호화 기술이 필요할 것입니다. 보안성이 입증된 암호화와 완전한 양자 인터넷은 양자 컴퓨팅 기술을 사용할 것입니다.
재료 과학에서 양자 컴퓨터는 분자 구조를 원자 단위로 시뮬레이션할 수 있어 새롭고 흥미로운 물질을 더 빠르고 쉽게 발견할 수 있습니다. 이는 배터리, 제약, 비료 및 기타 화학 기반 영역에서 중요한 응용 분야가 될 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 또한 어떤 일을 수행하는 ‘최선의’ 방법을 찾으려는 많은 어려운 최적화 문제의 속도를 높여줄 것입니다. 이를 통해 물류, 금융, 일기 예보와 같은 분야에서 더 큰 규모 문제를 해결할 수 있게 될 것입니다.
머신러닝은 양자 컴퓨터가 발전을 가속화할 수 있는 또 다른 분야입니다. 이는 디지털 컴퓨터의 서브루틴 속도를 높이는 방식으로 간접적으로 이루어질 수도 있고, 양자 컴퓨터를 학습 기계로 재구성할 수 있다면 직접적으로 이루어질 수도 있습니다.
현재 상황은
2023년, 양자 컴퓨팅은 대학 물리학과의 지하 실험실에서 벗어나 산업 연구 개발 시설로 이동하고 있습니다. 이러한 움직임은 다국적 기업과 벤처 투자가의 수표가 뒷받침하고 있습니다.
IBM, 구글, 아이온큐(IonQ), 리게티(Rigetti) 등이 구축한 최신 양자 컴퓨팅 프로토타입은 아직 완벽하지는 않습니다.
오늘날의 머신은 크기가 작고 오류가 발생하기 쉬운 ‘노이즈가 많은 중간 규모의 양자’ 개발 단계에 있습니다. 초소형 양자 시스템의 섬세한 특성으로 인해 많은 오류의 원인이 발생하기 쉬우며, 이러한 오류를 수정하는 것은 주요한 기술적 장애물입니다.
성배는 자체 오류를 수정할 수 있는 대규모 양자 컴퓨터입니다. 연구 진영과 상업적 기업으로 구성된 전체 생태계가 다양한 기술적 접근 방식을 통해 이 목표를 추구하고 있습니다.
초전도체, 이온, 실리콘, 광자
현재 가장 선도적인 접근 방식은 초전도 회로 내부의 전류 루프를 사용하여 정보를 저장하고 조작하는 것입니다. 이 기술은 구글, IBM, 리게티 등이 채택한 기술입니다.
또 다른 방법인 ‘갇힌 이온‘ 기술은 전하를 띤 원자 입자 그룹을 사용하여 입자의 고유한 안정성을 이용해 오류를 줄입니다. 이 접근 방식은 아이온큐(IonQ)와 하니웰(Honeywell)이 주도하고 있습니다.
세 번째 탐색 경로는 전자를 반도체 물질의 작은 입자 안에 가두어 고전적인 컴퓨팅의 잘 확립된 실리콘 기술에 통합할 수 있는 것입니다. 실리콘 양자 컴퓨팅은 이 각도를 추구하고 있습니다.
또 다른 방향은 높은 충실도로 조작할 수 있는 개별 빛 입자(광자)를 사용하는 것입니다. PsiQuantum이라는 회사는 양자 연산을 수행하기 위해 복잡한 “유도광” 회로를 설계하고 있습니다.
이러한 기술 중 아직 확실한 승자는 없으며, 궁극적으로 하이브리드 접근 방식이 우세할 수 있습니다.
양자 컴퓨팅의 미래
오늘날 양자 컴퓨팅의 미래를 예측하는 것은 하늘을 나는 자동차를 예측하고 그 대신 휴대폰에 카메라가 장착될 것이라고 예측하는 것과 비슷합니다. 그럼에도 불구하고 많은 연구자들이 향후 10년 내에 도달할 가능성이 높다고 동의하는 몇 가지 이정표가 있습니다.
가장 중요한 것은 오류 수정의 개선입니다. 잡음이 많은 디바이스의 시대에서 능동적인 오류 정정을 통해 연산을 지속할 수 있는 소형 디바이스로 전환될 것으로 예상됩니다.
또 다른 하나는 포스트 양자 암호화의 도래입니다. 이는 양자 컴퓨터가 쉽게 깰 수 없는 암호화 표준이 확립되고 채택되는 것을 의미합니다.
양자 감지와 같은 기술의 상업적 파생상품도 곧 시작될 것입니다.
진정한 ‘양자 우위’가 입증될 가능성도 있습니다. 이는 양자 장치가 디지털 대안보다 명백히 우월한 매력적인 애플리케이션을 의미합니다.
그리고 향후 10년간의 장기적인 목표는 오류가 없는(능동적 오류 수정 기능을 갖춘) 대규모 양자 컴퓨터를 개발하는 것입니다.
이 목표가 달성되면 21세기는 “양자 시대“가 될 것이라고 확신할 수 있습니다.
< 참고 : Quantum Computers in 2023: Where They Are Now and What’s Next >
