인류의 미래를 책임질 도구 <양자 컴퓨터>

인류의 미래를 책임질 도구 <양자 컴퓨터>

 

 

 

[생각보다 가까운 양자컴퓨터 시대]

IBM에서 2019년 1월부터 양자 컴퓨터를 판매하기 시작했다.

가격은 공개되지 않았지만, 굉장히 비쌀 것이라 예상된다.

그뿐 아니라 IBM은 인터넷을 통해 무료로 양자 컴퓨터를 사용할 수 있는 서비스를 제공한다.

소리 소문 없이 ’미래의 새로운 도구‘로 칭송 받는 양자 컴퓨터가 세상에 선보이기 시작했다.

 

 

2014년 무렵 전세계에서 양자 컴퓨터가 주목받기 시작한다.

이유는 구글이 전세계적으로 양자 컴퓨터 개발 분야에 가장 앞선 미국의 대학 연구팀을 통째로 사들인다.

구글은 “우리 회사에서 양자 컴퓨터를 개발하겠다.”라고 선언 한다.

2014년까지 양자 컴퓨터는 기초 연구를 수행하는 수준이며 상업성과 장래성에 확신이 없었다.

 

 

그런데 세계적인 대기업 구글이 난대 없이 양자컴퓨터 개발을 선언하며틀림없이 미래를 책임질 핵심 기술이 될것이라 많은 사람들이 의식하게 된다. 2014년을 기점으로 양자 컴퓨터 개발 분야는 많은 연구와 비용을 투입한다.

 

 

 

 

우리의 세상은 컴퓨터에 의해 제어된다.

결국 컴퓨터의 비약적인 향상인 ’양자컴퓨터’가 산업에 적용된다면 인류는 또 다른 차원의 기술 진보를 이뤄낼 수 있다.

잊지 말아야 할 것은 양자컴퓨터가 개발되더라도 일반 대중이 쓰는 (휴대폰, 컴퓨터, 타뷸렛) 같은 기기 같은 개인용 장비의 향상은 많이 없을 것이다.

 

 

 

 

양자 컴퓨터는 특정한 분야에만 굉장히 빠른 연산을 한다.

상업적으로 등장하기 시작했지만 현재 양자 컴퓨터의 정확도는 상당히 떨어진다.

전문가들은 양자 컴퓨터의 개발과 산업에 투입되는 것은 10년 ~ 100년이 걸릴지도 모른다고 한다.

그래도 IBM의 양자 컴퓨터 초기 모델의 판매와 구글 같은 대기업이 진출했다는 점에서 더욱 가속도 되며 결국은 양자컴퓨터 시대로 넘어갈 것이 자명하다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[양자 컴퓨터에 대한 대중의 오해]

 

1) 모든 계산이 빠르다.

양자 컴퓨터가 빨리 풀수 있는 문제는 몇 종류밖에 없다.

나머지는 현대의 컴퓨터와 비슷한 수준이다.

양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터가 계산하는 방식인 ‘단순 사칙연산‘을 이용해 반복적으로 계산하는게 아니다.

자신만의 스마트한 해법을 이용해 사칙 연사의 횟수를 획기적으로 줄인다.

 

어찌보면 양자 컴퓨터는 컴퓨터 자체의 발전이 아닌, 알고리즘의 발전이라 볼수 있다.

하지만 스마트한 해법이 사용되는 분야는 매우 한정적이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 양자 컴퓨터는 병렬 계산 때문에 빠르다.

병렬 계산은 현대 컴퓨터의 고속 계산을 위해 사용되는 평범한 기술이다.

예를들어 10가지 문제를 10명이 나눠 푼다면 효율이 올라갈 것이다.

 

양자 컴퓨터는 병렬 계산을 하는 건 사실이지만, 현대 컴퓨터가 하는 병렬 계산과는 다르다.

’양자’ 가 미시 세계에서 일으키는 ‘중첩’이라는 특유 현상을 이용한다.

‘중첩’을 통해 가능성이 가장 높은 몇 개의 결괏값을 ‘취사선택‘ 하여 계산한다.

 

양자 컴퓨터는 병렬로 계산한 결과 값 중에서 가능성이 높은 몇 개의 결과만 찾아 계산한다.

 

 

 

3) 양자 컴퓨터는 조만간 대중화된다.

현재 양자 컴퓨터는 장난감 수준에 지나지 않는다.

계산은 정확하지 않고 실수도 잦다.

한자리 숫자 사칙 연산조차, 실수할 정도이기 때문에 현대의 실제 인류가 제대로 사용되려면 더 많은 시간이 필요하다.

 

양자 컴퓨터를 제대로 쓰려면 결과의 정확도를 높이는 연구가 필수다.

양자 컴퓨터는 아직 제어하고 수정할 부분이 너무 많은 아주 초기의 단계이다.

사실 얼마나 걸릴지 아무도 제대로 예측하기 힘들다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[양자 컴퓨터 개발의 시작]

현대 컴퓨터의 성능은 압도적인 발전이 더 이상 불가능하다.

컴퓨터는 트랜지스터라는 전기회로를 사용한다.

이 전기회로는 (on, off) 2가지 결과만 취급하는 2진법이다.

 

 

대량의 신호를 처리할 수 있도록 만들어진 게 CPU이며 컴퓨터의 뇌에 해당한다.

 

 

현재 CPU는 불과 몇 센티미터에 불과하다.

이 작은 CPU에는 무려 트랜지스터가 10억 개 정도 들어간다.

CPU는 1초에 10억 회 정도 스위치를 on, off 할 수 있다.

 

현재 트랜지스터는 10 나노미터 (10만 분의 1밀리미터)까지 작아졌다.

머리카락의 굵기가 대략 0.1 밀 리미 터니까, 트랜지스터의 크기는 머리카락의 1만 분의 1 수준이다.

 

 

문제는 현재 트랜지스터의 크기는 약 10 나노미터인데, 원자 한 개의 크기는 약 0.1 나노미터다.

원자는 물질의 최소 단위이며, 전기 스위치가 되려면 최소 원자가 1개 이상이 돼야 한다. 인류의 기술은 물리적 한계에 와있다.

 

 

 

인류는 물리적 한계를 뛰어넘기 위해 물질의 최소 단위인 (원자 , 전자) 각각 1개의 세부 영역을 개발하기 시작하는데 이것이 양자컴퓨터 기술의 핵심이다.

 

양자는 물리학 법칙이 적용되지 않는 미시 영역이다.

결국 새로운 제어 방법과 연구가 필요해졌다.

물리 법칙이 전혀 통하지 않는다는 말은 인류가 아직 아는 게 거의 없다는 것이다.

 

 

 

 

 

 

 

[ 현대에 양자컴퓨터가 필요한 이유]

컴퓨터가 부품이 원자의 크기만큼 작아져서 물리적 방법으로 더 이상 발전하기 힘들다.

세계가 하나로 통합되면서 대량의 빅데이터를 취급해야 한다.

새로운 인류의 기술은 AI 인공지능인데, 인공지능 분야는 대량의 데이터 취급이 필수이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

[양자 컴퓨터의 아이디어 시작]

양자는 1980년 초반에 물리학자인  ’ 리처드 파인만‘의 아이디어를 통해 시작된다.

파인만은 또 다른 연구 실적으로 노벨 물리학상을 받은 유명한 물리학자이다.

 

 

 

 

파인만은 다음과 같은 주장을 한다.

 

“ 자연은 양자역학의 원리를 따르고 있음으로,

자연현상을 컴퓨터로 세뮬레이션 하고 싶으면

양자역학의 원리를 따르는 컴퓨터가 필요하다.”

 

 

그 후 1985년 ’ 데이비드 도이치‘가 양자역학 원리를 따르는 컴퓨터를 이용하는 계산을 수학적인 기초 이론을 완성한다.

그래서 데이비드 도이치를 ’ 양자컴퓨터의 아버지’라고 말한다.

 

 

 

기본 기술이 발전하지만 실제 양자컴퓨터가 무슨 역할을 할 수 있는지 아무도 알지 못했다.

미시 영역은 일반물리학이 전혀 통하지 않는 미지의 영역이기 때문이다.

 

 

 

그러다가 1994년 전환기를 맡는다.

‘피터 쇼어’가 양자 컴포터로 소인수분해를 고속으로 처리할 수 있는 해법을 찾아낸다.

소인수 분해는 15 = 3x5처럼 정수를 소수끼리 곱하는 형태로 분해하는 것이다.

소인수 분해는 자릿수가 늘어나면 매우 어려워진다.

하지만 양자 컴퓨터를 이용하면 압도적으로 빨리 소인수 분해가 가능하단 사실을 알아낸다.

 

쇼어의 발견은 매우 충격적이었다.

현재 ‘인터넷, 보안, 암호‘ 기술의 기반은 매우 높은 숫자의 소인수 분해가 매우 어렵다는 점이다.

하지만 양자 컴퓨터는 소인수 분해를 압도적으로 빠르게 계산한다.

현대의 보안체계는 무용지물이 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[양자 컴퓨터의 활용 분야]

개인들은 현재의 컴퓨터도 충분히 활용이 가능하다.

즉 양자컴퓨터는 소수의 분야에 특화되어 쓰이게 될 것이다.

 

 

 

1) 화학 신소재 분야

대표적인 분야가 화학 계산 분야이다.

화학에 많은 원자들을 새롭게 조합하고 합성해서 신소재를 개발한다.

다양하고 복잡한 화학의 조합을 양자컴퓨터가 쉽고 빠르게 결과를 계산할 것이다.

이렇게 신소재에 대한 기술발전이 상당한 수준이 될 것이다.

 

예를 들어 현재 태양전지 패널의 에너지 변환 효율은 20%에 불과하다. 미래에는 효율이 더 높은 물질을 개발해서 태양의 에너지를 최대한 많이 사용하는 날이 올 수도 있게 된다.

 

 

 

 

 

2) 의학 제약 분야

양자 컴퓨터는 화학 계산이 빠름으로 신약을 개발하는데 많은 도움이 될 것이다.

다양한 재료를 조합하고 계산하여 더 많은 종류의 약을 만들어 낸다.

투하량의 효율과 최적의 조합 방법을 계산할 수 있다.

양자역학은 최적화에 특화되어 있다.

 

예를 들어 동일한 효능의 약도 개개인에 맞춤형 약을 개발하거나 투입할 수 있다.