😲 또 다른 세계, 양자컴퓨터에 대해 알아보자

안녕하세요. 에디터 코알🐨입니다. 12월 9일 구글의 양자 칩 '윌로우'를 장착한 양자컴퓨터 소식에 관련 주식이 급등했습니다. 양자컴퓨터가 가상자산의 암호체계를 무력화시킬 수 있다는 관측에 따라 가상자산 시세도 흔들림이 있었는데요, 양자컴퓨터는 무엇인지 공부해 보겠습니다. 🐨

양자컴퓨터란?

양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용해 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 문제를 해결할 수 있는 컴퓨터입니다. 기존 컴퓨터는 정보를 0과 1로 구성된 비트(bit)로 처리하는 반면, 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 단위를 사용합니다.

큐비트는 양자역학적 특성을 가지고 있어, 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩(superposition)과 여러 상태를 얽히게 만드는 얽힘(entanglement) 등의 특성을 활용합니다.

주요 원리

중첩(Superposition)
고전 컴퓨터에서는 한 번에 0 또는 1 중 하나만 표현할 수 있습니다. 하지만 큐비트는 0과 1의 조합 상태를 동시에 표현할 수 있어, 병렬적으로 많은 계산을 수행할 수 있습니다.

예: 고전 컴퓨터에서 비트 2개는 00, 01, 10, 11 중 하나만 가질 수 있지만, 큐비트 2개는 이 네 가지 상태를 동시에 표현할 수 있습니다.
얽힘(Entanglement)
두 큐비트가 얽혀 있으면, 하나의 큐비트 상태를 알면 다른 큐비트의 상태도 즉시 알 수 있습니다. 이는 큐비트 간에 강력한 연산 관계를 만들어 복잡한 문제를 효과적으로 해결하는 데 도움을 줍니다.
간섭(Interference)
양자 상태 간 간섭을 이용해 올바른 해답을 강화하고 잘못된 해답을 억제합니다. 이를 통해 계산의 정확도를 높일 수 있습니다.

사진: 구글의 양자 컴퓨터 실험 기기

양자컴퓨터의 장점

초고속 연산과 병렬처리 : 양자 컴퓨터는 큐비트가 중첩 상태를 활용해 여러 계산을 동시에 수행할 수 있습니다. 따라서 기존 컴퓨터로 수백만 년이 걸릴 문제를 몇 초 내에 해결할 수 있습니다.

실제로 지난 9일 구글은 10 셉틸리언(10의 24 제곱)년 걸리는 문제를 5분 만에 푸는 양자컴퓨터를 개발했다고 발표했습니다. 셉틸리언은 우주의 나이보다 훨씬 더 오래 걸리는 시간으로, 5년 전 구글이 1만 년 걸리는 문제를 몇 분 안에 풀 수 있다고 발표한 성능보다 크게 빠른 속도입니다.

구글은 자체 개발한 양자 칩 '윌로우'(Willow)를 장착한 양자컴퓨터가 성능 실험에서 현존하는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터인 프론티어를 능가했다고 말합니다.

사진: 구글의 양자칩 '윌로우'(Wollow)

양자 컴퓨터의 단점과 한계

취약성: 큐비트는 외부 환경에 취약하여 안정성을 유지하기 어렵습니다. 큐비트 하나의 오류를 줄이더라도 컴퓨팅 시스템 규모가 커질수록 오류가 누적돼 알고리즘 구현에 어려움이 있어 실용화에 어렵습니다.
한정된 응용 분야: 현재 양자컴퓨터는 특정 문제(예: 소인수분해, 최적화 문제 등)에만 유리하며, 일반적인 계산에는 기존 컴퓨터가 더 효율적일 수 있습니다.
비용: 양자컴퓨터를 개발하고 운영하는 데 필요한 기술과 환경(극저온 유지 등)이 매우 비싸고 복잡합니다. 양자컴퓨터가 많은 오류를 내지 않고 제대로 작동하려면 이론적으로 가장 낮은 온도인 절대영도(0K·영하 273.15도)와 진공에 가까운 환경을 조성해야 합니다.

구글은 이번 윌로우칩을 발표하면서 위와 같은 단점과 한계를 극복했다고 밝혔습니다.
큐비트를 특수하게 연결해 큐비트의 수가 증가함에도 오류율이 감소하는 구조를 갖추고 실시간 오류 수정 기술을 통해 양자 컴퓨터의 안정성을 크게 향상했다고 합니다.

만약 상용화까지 성공한다면 다양한 분야에서 새로운 혁신의 바람이 불 것입니다.

양자 컴퓨터의 활용 가능성

암호학: 양자컴퓨터는 기존 암호화 기술을 빠르게 무력화할 수 있지만, 반대로 양자암호 기술로 더 안전한 통신을 가능하게 합니다.
약물 개발: 분자와 화학반응을 시뮬레이션하는 데 유리합니다.
기계 학습: 대규모 데이터를 빠르게 처리해 기계 학습 알고리즘을 가속화할 수 있습니다.
금융 및 물류: 최적의 경로 탐색, 투자 포트폴리오 최적화 등이 가능합니다.

양자 컴퓨터가 비트코인 암호 체계를 무력화해버린다면?

양자 컴퓨터가 암호화 알고리즘을 무력화할 수 있다면, 비트코인과 같은 암호화폐는 어떻게 되는걸까?라는 우려가 윌로우의 등장과 함께 발생했습니다.

물론 이런 우려는 아직 이르다는 이야기가 많습니다. 윌로우는 105개의 큐비트를 가지고 있는데, 비트코인의 보안에 위협을 가하려면 약 100만 개의 고품질 큐비트가 필요할 것이라고 전문가들은 추정하고 있습니다.

사진: 12월 9일 하락하는 뉴욕증시 가상화폐 리플 시세

양자 컴퓨터 관련 대표 기업

구글의 양자컴퓨터 발표와 함께 양자 컴퓨터와 관련된 다양한 기업들의 주가가 폭등했습니다. 관련된 대표 기업들을 정리해 보겠습니다.

아이온큐 (IonQ)
아이온큐는 2015년 한국 김정상 교수와 크리스 먼로 교수가 공동 설립한 양자 컴퓨터 기술의 선두 기업입니다. 주로 이온 트랩 기반 양자컴퓨터 기술을 활용하여 양자 컴퓨팅의 발전을 선도하고 있습니다. AWS, Microsoft Azure, Google Cloud와의 협력을 통해 클라우드 기반 양자컴퓨팅 서비스를 제공합니다.

이온 트랩 기술: 안정성과 정밀도에서 강점을 가지고 있으며, 기존의 초전도 큐비트보다 더 긴 코히어런스 시간(양자 상태 유지 시간)을 제공합니다.

퀸텀 컴퓨팅 (quantum computing)

양자 컴퓨팅 기술을 개발하고 상용화하는 미국의 기술 기업입니다. 이 회사는 복잡한 계산 문제를 해결하기 위해 광학 기반 양자 컴퓨팅(Photonic Quantum Computing) 기술을 활용하며, 이를 통해 상온에서 작동하고 에너지 효율이 높은 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다.

광학 기반 양자 컴퓨팅: QCI는 광학 기술을 활용하여 기존의 복잡하고 비용이 많이 드는 시스템보다 효율적이고 접근성이 높은 양자 컴퓨터를 개발하고 있습니다. 이러한 접근 방식은 극저온 환경이 필요하지 않아 상온에서 작동이 가능하며, 에너지 소비가 적다는 장점이 있습니다.

리게티 컴퓨팅 (Rigetti Computing)

양자 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어 개발에 주력하는 미국의 선도적인 양자컴퓨팅 회사입니다. 2013년 채드 리게티(Chad Rigetti)에 의해 설립되었으며, 초전도 큐비트(superconducting qubits)를 기반으로 한 양자컴퓨터 시스템 개발에 집중하고 있습니다.

초전도 큐비트 기술
- 리게티 컴퓨팅은 초전도 큐비트를 사용하여 양자 컴퓨터를 개발합니다.
- 이 기술은 낮은 온도에서 작동하며, 매우 빠른 연산 속도를 자랑합니다.
- 고정밀 제어와 확장 가능성을 목표로 연구를 진행 중입니다.
양자 클라우드 서비스: Forest
- 리게티는 Forest라는 클라우드 기반 양자컴퓨팅 개발 플랫폼을 제공합니다.
- 이를 통해 연구자들과 개발자들이 양자 알고리즘을 테스트하고 개발할 수 있습니다.
- Forest의 프로그래밍 환경은 Python 기반의 Quil(양자 컴퓨팅 언어)을 사용하여 사용자가 쉽게 접근할 수 있도록 설계되었습니다.
양자-기존 컴퓨터와 하이브리드
- 리게티는 양자컴퓨터와 기존 컴퓨터의 협력을 통해 복잡한 문제를 해결하는 하이브리드 컴퓨팅 방식을 선도하고 있습니다.

리게티는 NASA, 다임러(Daimler), 로키드 마틴(Lockheed Martin) 등 다양한 대형 기업 및 연구 기관과 협력하여 양자컴퓨팅 기술을 실제 문제 해결에 적용하고 있습니다.

코알의 한마디, 재미있는 양자컴퓨터 세계

기존 컴퓨터를 뛰어넘는 잠재력, 양자 컴퓨터에 대해 알아보니 흥미로웠습니다. 기존 컴퓨터가 뒤바꿔놓은 세상을 양자 컴퓨터가 또 한 번 일으킬지도 모른다는 생각에 두근거립니다!

양자역학이라는 말만 들어도 어려운데, 구글의 윌로우칩 발표로 더 공부해야겠다는 생각이 듭니다. 양자컴퓨팅은 인공지능, 블록체인, 자율주행 등의 첨단 기술들과 융합되어 기존의 체계를 뒤흔들 텐데, 이제는 양자 컴퓨팅 프로그래머가 필요한 시대가 올것 같습니다.

IBM의 Qiskit, 구글의 Cirq, 리게티의 Forest 같은 퀀텀 프로그래밍 플랫폼에서 실습을 할 수 있다고 합니다.

🤓 이런 자료를 참고했어요.

구글, 양자 컴퓨팅 칩 공개..."슈퍼컴으로 10.7조년 걸리는 문제, 5분 만에 해결"

구글, 슈퍼컴이 10자년 걸리는 문제를 5분에 푸는 양자컴 개발

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