고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터를 이해하기 위해서 아주 쉬운 비유를 들어 설명을 하고자 합니다. 이 글을 읽고 양자 컴퓨터에 대해서 조금이나마 이해를 하는 기회가 되기를 바라면 이 글을 작성합니다.
고전 컴퓨터란 현재 우리가 사용하고 있는 컴퓨터를 말합니다. 양자컴퓨터와 비교하려니 용어가 고전 컴퓨터가 되어버렸습니다.
우리가 흔히 쓰는 스마트폰이나 PC 같은 고전 컴퓨터는 0과 1, 둘 중 하나만 가질 수 있는 ‘비트(Bit)’라는 단위를 씁니다. 마치 전등 스위치가 ‘켜짐(1)’ 아니면 ‘꺼짐(0)’, 둘 중 하나의 상태만 가질 수 있는 것과 같습니다.
하지만 양자 컴퓨터는 ‘큐비트(Qubit)’라는 단위를 사용합니다. 이 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는데, 이것이 바로 중첩 상태입니다. 이해하기 어렵죠?
동전 던지기로 설명하는 양자 컴퓨터
중첩 상태: 켜짐과 꺼짐이 동시에? 일난다는 아리송한 내용을 설명하는데 여러 과학자가 예를 들어 설명하는 내용입니다.
고전 컴퓨터의 비트: 동전을 던져 바닥에 떨어지면, ‘앞면(1)’ 또는 ‘뒷면(0)’ 중 하나의 상태만 확정됩니다. 우리가 결과를 확인하기 전에는 어떤 상태인지 모르지만, 실제로는 이미 결정된 상태이죠. 즉 동전이 공중에 있을 때, 앞면이 될지 뒷면이 될지는 물리 법칙(던지는 힘, 속도, 공기 저항 등)에 의해 이미 결정된 상태입니다. 우리가 관찰하면 그 결정된 상태를 확인하게 되는 것이죠. 0 또는 1이라는 명확한 값을 가지고 있지만, 우리가 아직 모르는 것뿐입니다.
양자 컴퓨터의 큐비트: 동전이 공중에 회전하고 있는 순간을 생각해 보세요. 이 순간 동전은 ‘앞면’이면서 동시에 ‘뒷면’일 가능성을 모두 가지고 있습니다. 양자 컴퓨터의 큐비트가 바로 이 상태입니다. 0과 1의 모든 가능성을 동시에 품고 있는 것이죠. 큐비트의 중첩 상태는 0 또는 1 중 하나로 결정된 상태가 아니라, 0과 1의 모든 가능성을 동시에 가지고 있는 상태 그 자체입니다. 즉, 큐비트는 0과 1의 특성을 동시에 지니며, 우리가 관찰하는 순간에야 비로소 0이나 1이라는 하나의 상태로 ‘붕괴’되어 확정됩니다. 이는 관찰 전까지는 결정되지 않은 상태로 존재한다는 점에서 동전 던지기와는 완전히 다른 물리적 현상입니다
동전 던지기로 설명하는 양자 컴퓨터 의문점
동전을 던졌는데 왜 고전 컴퓨터 비트는 앞뒤가 결정되고 큐비트는 결정이 안된 상태여야 해 ? 라고 의문이 들 수 있습니다. 여기서 중요한 것이 있습니다. 고전 컴퓨터 비트는 0과 1을 가지는 동전의 앞 또는 뒷면에 비유하는데 이렇게 던지면 둘 중 하나가 결정되는 상태를 고전물리학 법칙이 적용되었기 때문입니다. 이에 반해 양자컴퓨터는 관찰하기 전에는 0과 1의 상태가 동시에 공존하는 ‘결정되지 않은’ 상태입니다. 관찰하는 그 순간에야 비로소 하나의 상태(0 또는 1)로 확률적으로 확정되는 법칙이 적용되는데 이런 법칙이 양자물리학 법칙입니다.결국 같은 동전을 던졌는데 고전 컴퓨터는 고전 물리학 법칙을 적용받고 양자 컴퓨터는 양자물리학 법칙을 적용받는 다는 점이 차이 입니다.
동전 던지기로 이해할 수 없다면?
맞습니다. 동전 비유는 고전 물리학과 양자 물리학의 근본적인 차이를 설명하는 데 한계가 있습니다. 동전은 언제나 고전 물리학의 법칙을 따르므로, 큐비트의 특성을 설명하기에는 부적절할 수 있습니다.
다른 비유로 이해하는 큐비트의 ‘중첩 상태’
양자 세계의 중첩 상태를 더 정확하게 설명하기 위해 ‘음악’에 비유해 보겠습니다.
고전 컴퓨터의 비트는 라디오의 채널에 비유
우리가 듣는 라디오 채널은 0과 1의 비트와 같습니다. 라디오를 켜면 MBC, KBS, SBS와 같이 여러 채널 중 오직 하나의 채널만 선택하여 들을 수 있습니다. 다른 채널을 듣고 싶다면, 현재 듣고 있는 채널을 끄고 다른 채널로 바꾸어야 합니다. 이처럼 비트는 한 번에 한 가지 상태만 가질 수 있습니다.
양자 컴퓨터의 큐비트는 여러 음이 동시에 울리는 화음 악기에 비유
반면, 큐비트의 중첩 상태는 화음과 같습니다. 예를 들어 기타나 피아노 건반을 누르면 ‘도’, ‘미’, ‘솔’이라는 여러 음이 동시에 울리며 하나의 소리를 만들어냅니다. 각각의 음이 모두 개성을 가지고 존재하지만, 우리가 듣는 순간에는 모든 음이 공존하는 복합적인 소리로 인식됩니다.
큐비트도 이처럼 0과 1이라는 두 가지 상태가 독립적으로 존재하는 것이 아니라, 0의 가능성과 1의 가능성이 동시에, 그리고 다양한 비율로 섞여있는 상태입니다. 관찰하기 전에는 여러 음이 섞인 화음처럼 0과 1의 가능성을 모두 가지고 있다가, 관찰하는 순간 0 또는 1이라는 하나의 ‘음‘으로 확정되는 것입니다.
이 비유는 ‘동전 던지기’와 달리 큐비트가 여러 상태를 동시에 가지고 있다는 양자 물리학의 핵심 원리를 더 잘 이해하는데 도움이 될 것입니다.
고전 컴퓨터의 비트는 라디오 채널처럼 한 번에 한 가지 소리만 낼 수 있습니다. 따라서 여러 계산을 하려면 하나씩 순서대로 처리해야 합니다. 마치 한 음을 연주한 다음, 다음 음을 연주하는 것처럼요.
하지만 양자 컴퓨터의 큐비트는 피아노의 화음처럼 여러 음(상태)을 동시에 울리게 할 수 있습니다. 이 ‘동시 울림’ 덕분에 양자 컴퓨터는 여러 가지 가능성을 한꺼번에 탐색하고, 복잡한 계산을 훨씬 더 빠르게 처리할 수 있게 되는 것입니다.
결론적으로, 큐비트의 중첩 상태가 동시에 여러 가능성을 품고 있다는 점을 ‘화음’에 비유하고, 이 특성이 양자 컴퓨터의 병렬 계산 능력으로 이어져 엄청난 속도를 낼 수 있다는 점을 설명하는 비유입니다.
양자 컴퓨터의 발전 역사
양자 세계의 중첩 상태를 더 정확하게 설명하기 위해 ‘음악’에 비유해 보겠습니다.
1. 이론의 시작 (1980년대)
양자 컴퓨터의 이야기는 1980년대에 시작되었습니다. 당시 유명한 물리학자 리처드 파인만은 “일반 컴퓨터로는 아주 작은 원자의 세계를 정확하게 계산하기 어렵다. 그러니 아예 원자의 법칙을 따르는 새로운 컴퓨터를 만들면 어떨까?”라는 기발한 아이디어를 내놓았습니다.
그 후, 데이비드 도이치 같은 과학자들이 파인만의 아이디어를 발전시켜, 양자 컴퓨터가 어떻게 작동할지 수학적으로 설명하는 이론을 만들었습니다. 이 시기에는 실제로 컴퓨터를 만든 것이 아니라, 머릿속으로 양자 컴퓨터의 가능성을 상상하고 설계도를 그렸던 때입니다.
2. 가능성을 보여주다 (1990년대)
1990년대에 들어서면서 양자 컴퓨터가 실제 세상에 어떤 영향을 미칠지 보여주는 놀라운 발견이 있었습니다. 수학자 피터 쇼어가 ‘쇼어 알고리즘’을 발표한 것입니다. 이 알고리즘은 양자 컴퓨터가 복잡한 암호를 아주 쉽게 풀어낼 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이것은 양자 컴퓨터의 잠재력을 세상에 알리는 중요한 사건이었습니다.
하지만 큐비트가 너무 불안정해서 계산 중에 오류가 자주 발생하는 문제가 있었습니다. 그래서 과학자들은 이 오류를 고치는 ‘양자 오류 정정’ 기술을 개발하기 시작했습니다.
3. 첫 실험과 현실화 (2000년대 ~ 현재)
2000년대부터는 이론을 넘어 실제로 작은 큐비트를 만들고 실험하는 단계로 나아갔습니다. 1998년에는 2개의 큐비트로 이루어진 작은 양자 컴퓨터가 처음 만들어졌습니다.
그리고 최근에는 구글, IBM 같은 큰 회사들이 본격적으로 양자 컴퓨터 개발 경쟁에 뛰어들었습니다. 특히 2019년, 구글은 ‘양자 우월성(Quantum Supremacy)’을 달성했다고 발표했습니다. 일반 슈퍼컴퓨터로 수만 년이 걸리는 문제를 양자 컴퓨터로 단 몇 분 만에 풀어냈다는 것입니다. 이는 양자 컴퓨터가 특정 분야에서 일반 컴퓨터보다 훨씬 뛰어나다는 것을 증명한 역사적인 사건입니다.
오늘날에는 오류를 줄이고 큐비트 수를 늘려 실제로 사용할 수 있는 실용적인 양자 컴퓨터를 만드는 단계에 와 있습니다. 과학자들은 양자 컴퓨터를 이용해 새로운 재료를 만들거나, 금융 문제를 풀고, 신약을 개발하는 등 다양한 분야에서 활용할 방법을 찾고 있습니다.
각 나라의 양자 컴퓨터 개발 현황
1. 미국: 민간 기업이 이끄는 기술 선두 주자
미국은 양자 컴퓨터 분야에서 가장 앞서나가는 국가 중 하나입니다. 정부가 ‘국가 양자 이니셔티브(NQI)’라는 정책으로 연구에 막대한 투자를 하고 있지만, 특히 구글, IBM, 마이크로소프트와 같은 거대 민간 기업들이 기술 개발을 이끌고 있는 것이 특징입니다.
- 구글(Google): 2019년에 양자 컴퓨터가 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠르다는 ‘양자 우월성’을 발표하며 세계를 놀라게 했습니다.
- IBM: ‘Qiskit’이라는 양자 컴퓨터용 프로그래밍 언어를 개발하여 누구나 양자 컴퓨터를 클라우드로 체험해 볼 수 있도록 하고 있습니다.
- 마이크로소프트(Microsoft): 안정적인 큐비트를 만드는 데 주력하며, 소프트웨어 개발 환경을 구축하고 있습니다.
2. 중국: 정부 주도의 과감한 투자
중국은 양자 컴퓨터 기술을 ‘국가 전략 기술’로 지정하고 정부 주도하에 막대한 자금을 투자하고 있습니다. 미국을 빠르게 추격하며 양자 기술 분야에서 선두로 도약하려는 목표를 가지고 있습니다.
- 투자 규모: 수십억 달러를 투자하여 양자 기술 연구소를 설립하고, 우수한 과학자들을 육성하고 있습니다.
- 주요 성과: 양자 통신 분야에서 세계를 선도하고 있으며, 양자 컴퓨터 기술에서도 빠르게 발전하며 여러 중요한 성과를 내고 있습니다.
3. 유럽 연합(EU): 협력을 통한 기술 발전
유럽은 한 국가가 아닌 여러 나라가 힘을 합쳐 양자 기술을 발전시키고 있습니다. ‘퀀텀 플래그십(Quantum Flagship)’이라는 대규모 프로젝트를 통해 양자 컴퓨팅, 양자 통신, 양자 센서 등 다양한 분야를 동시에 연구하고 있습니다.
- 협력 중심: 독일, 프랑스, 네덜란드 등 여러 국가의 연구 기관과 기업들이 함께 연구하며 기술 개발 속도를 높이고 있습니다.
- 목표: 유럽 전체의 기술력을 끌어올려 미국과 중국에 뒤처지지 않는 독자적인 양자 생태계를 구축하는 것입니다.
4. 기타 주요 국가: 독자적인 기술력 확보 노력
이 외에도 여러 국가가 양자 컴퓨터 기술 확보에 힘쓰고 있습니다.
- 캐나다: 양자 컴퓨터의 ‘큐비트’를 연구하는 데 있어 오랜 역사를 가지고 있습니다. D-Wave라는 회사는 상용화된 양자 컴퓨터를 처음으로 선보여 주목받았습니다.
- 일본: 정부 차원의 대규모 프로젝트를 통해 초전도 큐비트 기술을 중심으로 연구를 진행하고 있습니다.
- 호주: 실리콘을 이용한 큐비트 개발에 집중하며 독자적인 기술력을 확보하고 있습니다.
한국의 양자컴퓨터 개발현황과 이용
한국은 정부의 강력한 지원 아래 ‘양자 과학기술 전략’을 수립하고, 2035년까지 양자기술 분야에서 세계 선도국 대비 85% 수준에 도달하겠다는 목표를 세웠습니다.
- 정부 목표: 2026년까지 50큐비트급, 2030년대에는 1,000큐비트급의 양자 컴퓨터를 자체 기술로 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.
- 기술 발전: 초전도, 이온 트랩, 양자점 등 다양한 방식의 양자 컴퓨터 개발 연구가 활발하게 진행 중이며, 한국표준과학연구원(KRISS)에서 초전도 기반의 양자 컴퓨터를 공개하기도 했습니다.
특히 정부는 2024년 ‘양자 과학기술 및 양자산업 육성에 관한 법률'(양자법)을 시행하여 체계적인 지원과 인력 양성에도 힘쓰고 있습니다.
양자컴퓨터를 활용하는 기관
현재 한국에서는 연구와 교육 목적으로 양자 컴퓨터를 도입하거나 클라우드 서비스를 이용하는 기관들이 늘고 있습니다.
- 연세대학교: 국내 최초로 IBM의 상용 양자 컴퓨터인 ‘퀀텀 시스템 원’을 캠퍼스 내에 구축하여 교육과 연구에 활용하고 있습니다.
- 한국과학기술정보연구원(KISTI): 이온 트랩 방식의 양자 컴퓨터를 도입하고, 기존 슈퍼컴퓨터와 연계하여 연구자들이 양자 컴퓨팅을 활용할 수 있는 국가 인프라를 만들고 있습니다.
- 충북대학교: 지방 국립대 최초로 상업용 양자 컴퓨터인 IQM의 장비를 도입하여 양자 기술 교육의 거점 역할을 하고 있습니다.
이 외에도 삼성전자는 수소전지 개발에, 현대자동차는 신소재 연구에 양자 컴퓨팅을 활용하는 등 국내 대기업들도 기술 도입을 검토하거나 연구에 적용하고 있습니다.
양자컴퓨터 대중화 시기와 AI 기술 발전
양자 컴퓨터가 언제쯤 대중화될지에 대한 예측은 전문가들 사이에서도 의견이 다양합니다. 하지만 AI 기술과의 결합은 그 시기를 앞당기고 기술 발전을 가속화할 것으로 예상하고 있습니다.
1. 양자 컴퓨터 대중화 예측 시기
전문가들은 양자 컴퓨터가 모든 가정에서 사용되는 일반적인 컴퓨터가 되기까지는 아직 시간이 많이 필요하다고 봅니다. 현재로서는 2030년대를 기점으로 본격적인 상용화가 시작될 것으로 예측하고 있습니다.
- 2020년대 후반: 특정 산업 분야에서 제한적인 용도의 양자 컴퓨터가 활용될 가능성이 높습니다. 신약 개발, 금융 포트폴리오 최적화, 물류 경로 계산 등과 같이 기존 컴퓨터로는 풀기 어려운 특별한 문제들을 해결하는 데 먼저 쓰일 것입니다.
- 2030년대 초반: 양자 컴퓨터가 여러 산업에 걸쳐 더 폭넓게 활용되며, 상용화가 본격화될 시점으로 예상됩니다. 하지만 일반 개인이 직접 양자 컴퓨터를 소유하기보다는, 클라우드 서비스를 통해 양자 컴퓨터의 연산 능력을 빌려 쓰는 형태가 될 것입니다.
2. AI 기술 접목 후 기술 진화 예측
양자 컴퓨터와 AI 기술이 결합하면 두 기술의 한계를 동시에 극복하며 폭발적인 시너지를 낼 것으로 기대됩니다.
AI의 한계 극복
현재 AI는 방대한 데이터를 학습하고 복잡한 문제를 해결하기 위해 엄청난 시간과 전력을 소모합니다. 양자 컴퓨터는 이러한 AI의 한계를 해결해줄 열쇠가 될 것입니다.
- 초고속 AI 학습: 양자 컴퓨터의 병렬 계산 능력 덕분에, AI 모델의 학습 속도가 획기적으로 빨라집니다. 이는 AI가 새로운 정보를 더 빠르게 배우고, 정확도를 크게 높이는 결과를 가져올 것입니다.
- 복잡한 문제 해결: 기존 AI가 풀 수 없었던 복잡한 최적화 문제, 예를 들어 신약 후보 물질 탐색, 기후 변화 모델링 등을 양자 AI가 해결하게 됩니다.
기술 진화 예측
AI와 양자 컴퓨팅의 융합은 단순한 기술 발전 수준을 넘어, 완전히 새로운 차원의 혁신을 가져올 것입니다.
- 하이브리드 양자 AI: 양자 컴퓨터는 어려운 계산을 맡고, 일반 컴퓨터와 AI는 데이터 처리와 추론을 담당하는 ‘하이브리드 시스템’이 핵심이 될 것입니다. 이 시스템은 현실의 복잡한 문제를 매우 효율적으로 해결하게 됩니다.
- 초고도화된 신소재 및 신약 개발: 양자 컴퓨터가 물질의 원자 수준 행동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있게 되면, AI는 이를 바탕으로 훨씬 빠르고 정확하게 새로운 약이나 소재를 찾아내는 데 사용될 것입니다.
- 양자 인터넷: 양자 컴퓨팅 기술은 양자 암호 통신 기술과 결합하여, 해킹이 불가능한 ‘양자 인터넷’ 시대를 열 것입니다. 이는 국가 안보, 금융 거래 등 보안이 중요한 분야에 혁신을 가져옵니다.
