양자컴퓨터란? 뜻 장점 단점 활용 (양자, 양자암호, 양자역학)

 

 

 

양자 컴퓨터

현재 사용되고 있는 컴퓨터 중 처리 속도가 가장 빠른 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터입니다.

슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸려 계산하는 것을 단 몇 분 만에 처리할 수 있는 컴퓨터가 있는데요. 바로 '양자 컴퓨터'입니다.

이러한 양자 컴퓨터의 발전은 현존하는 산업 전반을 획기적으로 바꿀 혁신적인 기술로 평가받고 있습니다.

 

이번 글에서는 양자 컴퓨터의 정의와 장단점, 어떤 분야에서 활용이 가능한지 살펴보겠습니다.

 

 

1. 양자, 양자암호, 양자역학이란?
2. 양자 컴퓨터
3. 우리 가까이에 있는 양자 컴퓨터
4. 양자 컴퓨터의 장점
5. 양자 컴퓨터의 단점
6. 양자 컴퓨터의 활용

 

 

 

양자 컴퓨터를 이해하기에 앞서 양자와 양자암호, 양자역학의 개념에 대해 간략히 알아보겠습니다.

 

 

 

 

 

양자, 양자암호, 양자역학이란?

양자란 물리량의 최소 단위를 뜻합니다.

 

양자암호란 양자역학의 원리를 응용하여 만든 보안성이 우수한 암호체계로, 양자역학의 특성을 이용해 암호를 생성·해독하는 작업을 수행하고 방법을 개발하는 양자정보과학의 한 분야입니다.

 

양자역학이란 입자에 관한 물리학 기초 이론으로, 분자, 원자, 소립자 등 미시세계와 그러한 계에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대물리학의 한 분야입니다.

 

 

 

 

 

양자 컴퓨터

양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 데이터를 처리, 저장하는 첨단 컴퓨터를 말합니다.

 

'양자 중첩'과 '양자 얽힘'이라는 특성을 이용하여 기존 컴퓨터보다 정보처리 속도가 빠른 것이 특징입니다.

 

• 양자 중첩 : 양자 상태를 측정하기 전에 측정에 의한 여러 결과 상태가 이미 확률적으로 동시에 존재하는 것
• 양자 얽힘 : 두 개 이상의 입자가 거리와 무관하게 공동의 통일된 양자상태(운동량, 위치, 스핀 방향)로 연결되는 현상

 

 

일반 컴퓨터(클래식 컴퓨터)는 전기가 통과하면 켜짐(1), 전기가 통과하지 않으면 꺼짐(0)이 번갈아가며 2진법 구조의 비트(bit)를 찍어내서 계산합니다. 하지만 양자 컴퓨터는 양자비트(큐비트, qubit)의 0과 1의 중첩상태가 가능하기 때문에 기존 컴퓨터와는 달리 병렬 계산이 가능합니다.

 

이러한 '양자 얽힘'과 '양자 중첩'을 통해 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 훨씬 빠르고 효율적으로 수행할 수 있습니다.

 

 

 

 

우리 가까이에 있는 양자 컴퓨터

우리가 일상생활에서 쓰고 있는 컴퓨터에는 반도체가 사용되는데요. 이 또한 양자역학이 도입된 기술입니다.

반도체는 스위치의 꺼짐(0)과 켜짐(1)을 조절하는 아주 작은 칩으로, 반도체가 작동할 때 전기 신호를 잡는 상황에서 양자역학 기술이 들어가게 됩니다.

 

일반 컴퓨터는 하드웨어 쪽에서만 양자역학 기술이 들어가지만, 양자컴퓨터는 소프트웨어까지 양자역학으로 구현됩니다.

 

 

 

 

 

 

 

양자 컴퓨터의 장점

 

병렬 처리로 인한 정보처리 속도 향상

양자 상태의 수학적 연산을 이용하여 병렬적으로 연산 처리가 가능하여 기존 컴퓨터보다 빠른 계산이 가능합니다. 이 장점 하나로 많은 분야의 기술력이 몇 단계 업그레이드될 수 있습니다. 

 

 

*예시 1

기존 컴퓨터에서 0과 1을 이용한 2진법 비트는 2개의 정보(0,1)를 계산할 수 있습니다. 

반면 양자 컴퓨터의 큐비트는 0과 1이 공존할 수 있기 때문에 4개의 정보(00, 01, 10, 11)로 병렬 계산이 가능합니다. 더 많은 큐비트가 얽힐수록 처리 가능한 정보량은 2배의 제곱수로 늘어나게 됩니다. 이러한 원리로 양자 컴퓨터는 빠른 속도로 연산처리를 할 수 있습니다. 

56비트의 암호를 찾아낼 경우 기존 컴퓨터로는 1000여 년이 걸리는 반면, 양자 컴퓨터를 이용하면 4분 만에 해결할 수 있습니다. 

 

 

*예시 2

100개의 길이 있는 미로에서 가장 빠르게 나갈 수 있는 찾으려 합니다.

기존 컴퓨터는 100가지 방법을 차례대로 수행한 다음 가장 빠른 길을 알려줍니다.

양자 컴퓨터는 100가지 방법을 동시에 수행한 후 가장 빠른 길을 알려줍니다.

만약 100개의 길이 아닌 1000억 개의 길이 있는 미로에서 빠른 길을 찾아달라고 명령을 내린다면 어떻게 될까요?

기존 컴퓨터와 양자 컴퓨터 처리 속도에서 엄청난 차이가 날 것입니다.

 

 

보안

양자 암호의 원리를 이용하여 기존 암호화 방식보다 더욱 안전한 암호화 방식을 제공할 수 있습니다. 

 

그런데 이 말은 또 다른 의미로 해석할 수 있습니다.

양자 컴퓨터로 현재의 보안 기술을 다 해체할 수 있으며, 암호 또한 해독할 수 있다는 뜻이 됩니다. 때문에 양자 컴퓨터가 사용화되기 전 보안 기술을 강화하고 상용화가 되어야 할 것입니다.

 

 

 

 

 

양자 컴퓨터의 단점

불안정성

양자 컴퓨터의 양자 상태의 불안정성으로 인해 오류, 노이즈가 많이 발생합니다. 현재까지도 양자 컴퓨터는 불안정한 상태에서 작동하고 있습니다. 

 

제작 및 운용 비용

양자 컴퓨터의 제작과 운용에 큰 비용이 발생합니다. 특히 양자 컴퓨터를 사용하기 위해 극저온의 환경을 유지하는데 엄청난 냉각 비용이 들어가고 있습니다.

 

 

호환성

양자 컴퓨터만이 이해할 수 있는 양자 알고리즘을 사용하기 때문에 일반 컴퓨터와의 호환성이 낮습니다.

 

 

 

 

양자 컴퓨터의 활용

양자 컴퓨터는 어떤 분야에서 활용할 수 있을까요?

 

 

바이오 분야

신약 개발과 유전자 질환을 치료하기 위해 기존 컴퓨터로는 20억 개의 연산이 필요하지만, 양자 컴퓨터를 이용한다면 32개의 연산만을 수행하면 됩니다.

 

확률, 최적화 계산

확률과 최적화 계산에 적합하므로 물류 운송, 도시 교통 등에 활용될 수 있습니다.

기존 컴퓨터로는 최적의 경로를 찾기 위해 모든 경우를 차례로 계산하기 때문에 결과 도출까지 시간이 오래 걸리지만, 양자 컴퓨터는 모든 경우를 동시에 계산하기 때문에 짧은 시간 내에 결과 도출이 가능합니다. 

 

암호해독, 자율주행

양자 컴퓨터를 활용하여 금융 리스크를 계산하고 공기키 암호화를 통해 정보를 보호합니다. 또 항공사에서 시뮬레이션을 통해 항공기 설계 및 고장 원인을 분석하는데 활용되기도 합니다.

 

 

 

 

현재 슈퍼컴퓨터가 담당하고 있는 분야의 복잡한 계산을 단시간 내에 해결할 수 있으므로 여러 분야에서 효율적인 활용이 가능할 것으로 기대됩니다.

 

 

 

 

요약

• 양자란 물리량의 최소 단위를 뜻한다.
• 양자암호란 양자역학의 원리를 응용하여 만든 암호체계이다.
• 양자역학이란 입자에 관한 물리학 기초 이론이다.
• 양자 컴퓨터란 양자역학의 원리를 이용하여 데이터를 처리, 저장하는 컴퓨터이다.