[아주 쉬운 뉴스 Q&A] 꿈의 컴퓨터라고 불리는 '양자 컴퓨터'가 뭔가요?

IBM, 구글에 이어 아마존까지 양자 컴퓨터 시장에 본격적으로 진출한다고 밝히면서 양자 컴퓨터에 대한 관심이 커지고 있습니다. 그런데 정작 양자 컴퓨터가 무엇인지 아는 사람은 드뭅니다. 양자 컴퓨터에 대해 쉽고 자세하게 알아보겠습니다.

Q. 양자 컴퓨터란 무엇인가요?

양자 컴퓨터란 1과 0이라는 두 가지 확연히 다른 상태를 활용하는 기존 CMOS 타입 컴퓨터와 달리 0과 1이라는 상태가 공존할 수 있는 컴퓨터를 말합니다. 고전 물리학이 주가 되는 일반적인 영역에선 불가능하지만 양자역학의 영역에선 양자 얽힘과 양자 중첩이라는 원리에 따라 두 가지 성질을 동시에 지닐 수 있습니다. 이를 활용해 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에선 불가능한 천문학적 단위의 연산을 매우 빠르게 처리할 수 있습니다. 이를 통해 기초적인 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터에서 수만년이 걸릴 계산을 불과 몇분 만에 처리할 수 있는 등 비약적인 연산 능력 발전으로 인공지능 개발과 빅데이터 분석 등에 많은 도움이 될 것으로 기대받고 있습니다.

Q. 양자 우위란 무엇인가요?

양자 우위란 양자 컴퓨터의 성능이 기존 컴퓨터(슈퍼 컴퓨터 포함)의 성능을 뛰어넘는 시점을 의미합니다. 미국 물리학자 존 프레스킬 교수는 양자 컴퓨터의 연산 단위가 50 큐비트를 넘기면 양자 우위가 달성될 것이라 예견한 바 있습니다. 지난 9월 구글이 관련 논문을 인터넷에 공개하고, 10월 정식으로 54큐비트 양자 컴퓨터 칩셋 '시커모어'를 개발해 양자 우위를 달성했다고 발표했습니다. 구글에 따르면, 기존 슈퍼컴퓨터로 1만년이 걸려야 풀 수 있는 문제를 시커모어를 활용하면 3분20초(200초) 만에 풀 수 있다고 합니다. 큐비트는 여러 개의 양자가 관련성을 지니도록 묶은 후 이를 재편성한 정보단위입니다.

Q. 양자 컴퓨터는 어떤 업체가 연구하고 있나요?

현재 IBM, 구글 등 널리 알려진 IT 기업뿐만 아니라 캐나다 디웨이브, 미국 아이온큐와 리게티 컴퓨팅 등의 업체가 양자 컴퓨터 관련 연구와 개발을 진행 중입니다. 업계에 평가에 따르면, IBM이 가장 앞서 나가고 있는 상태이고, 구글이 미세한 차로 이를 따라잡고 있다고 합니다. 가장 상용화율이 높은 디웨이브의 경우 양자 컴퓨터의 핵심인 양자 얽힘과 중첩 대신 양자 어닐링이라는 과도기적 방식을 이용하고 있어 진정한 양자 컴퓨터라고 보는데 무리가 따른다는 평가를 받고 있습니다.

대부분의 양자 컴퓨터 업체가 절대 영도에 가까운 초저온에서 양자를 채집하는 초전도체 방식의 양자 컴퓨터를 개발하고 있지만, 아이오큐처럼 상온에서 양자를 채집할 수 있는 이온 트랩 방식을 연구하는 업체도 있습니다. 이온 트랩 방식은 초전도체 방식에 비해 개발 진척이 더디지만, 상용화될 경우 양자 컴퓨터의 활용 영역을 더 넓힐 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

Q. 양자 컴퓨터 상용화에 가장 큰 걸림돌은 무엇인가요?

양자는 외부의 아주 미세한 간섭(Noise)에도 극히 민감한 반응을 보입니다. 이에 양자가 처음 의도한대로 움직이지 않고 다르게 움직이는 오류가 발생하는 것을 '양자 오류'라고 합니다. 양자 오류가 일어나면 입력한 결과값이 제대로 표현되지 않습니다. 쉽게 말해 양자 오류로 인해 계산할 때마다 다른 결과가 나온다는 것이지요. 컴퓨터라고 부르기에는 너무나도 치명적인 문제입니다.

이를 해결하려면 오류를 보정하는 큐비트를 추가로 연결해야 합니다. 하지만 연결된 큐비트가 늘어날 수록 양자 오류가 늘어날 확률도 같이 늘어납니다. 큐비트를 무턱대고 늘리는 것이 어려운 이유입니다.

Q. 양자 컴퓨터가 상용화되면 우리 삶은 어떻게 바뀌나요?

일단 기존 암호 체계가 무력화될 것입니다. 수만년이 지나야 풀 수 있는 최고급 암호화 체계도 양자 컴퓨터를 활용하면 불과 몇 분이면 풀 수 있습니다. 이에 따른 양자 암호화 체계를 개발할 필요가 생깁니다. 인공 신경망 구현을 위해 수 많은 단순 연산을 반복하는 인공지능 영역에도 큰 변화가 기대됩니다. 빠른 학습과 추론으로 진정한 의미에서 사고 능력을 갖춘 강 인공지능을 개발할 수 있을 전망입니다.

업계에선 양자 우위를 넘어 양자 컴퓨터가 일상에서 체감할 수 있을 정도로 보편화되려면 20여년 정도의 시간이 필요할 것으로 보고 있습니다. 20년 뒤에는 기존 컴퓨터 대신 양자 컴퓨터가 가정에 들어오게 될지도 모를 일입니다.

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강일용 기자 zero@ajunews.com

강일용 zero@ajunews.com