오늘날, AI와 드론산업 등과 더불어 양자컴퓨터라는 것이 주목받고 있다. 양자컴퓨터와 관련된 주식 종목의 주가는 폭등하며, 마이크로소프트에서는 2025년을 양자컴퓨팅 준비의 해라고 언급한 바 있다. 이로써, 우리는 빠르게 변화하는 이 시대에서 양자컴퓨터라는 것을 알아갈 필요가 있다.
1. 양자 컴퓨터의 개념
양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 처리하는 컴퓨터이다.
기존의 컴퓨터는 0과 1만을 사용하는 이진수로 데이터를 처리하는 반면에 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)로 정보처리를 한다. 여기서 큐비트는 0과 1을 동시에 나타내는 상태이며 여러 큐비트가 얽혀 활용할 수 있다. 따라서 병렬 처리와 복잡한 계산을 훨씬 더 효율성 있게 처리가 가능한 것이다.
이러한 양자 컴퓨터의 특징으로 기존 컴퓨터가 처리하기 어려운 문제인 암호 해독과 물리학적 시뮬레이션 등을 매우 빠르게 해결할 수 있다.
참고로, 양자는 에너지, 운동량 등의 물리량이 연속값을 가지지 않고 특정 최소단위의 정수배로 표현이 가능할 때 그 최소 단위의 양을 가리킨다. 양자역학은 원자와 그보다 작은 입자들이 어떻게 움직이며 상호작용하는지를 설명하는 이론이다. 양자역학은 영어로 Quantum Mechanics라고 하며 물리학의 한 분야이다.
2. 양자 컴퓨터 개발 필요성
(1) 복잡한 계산 신속 처리
앞서 말한 0과 1을 동시에 처리하는 중첩 상태를 활용하면 여러 계산을 동시에 수행할 수 있다. 이로써, 복잡한 문제를 일반 컴퓨터보다 매우 빠르게 해결할 수 있다.
(2) 소인수 분해와 암호학의 혁신
현시대에서 대부분의 암호 시스템은 소인수 분해란 것에 의존하고 있는 상황이다. 기존 컴퓨터와 다르게 양자 컴퓨터는 쇼어의 알고리즘을 이용해 큰 숫자의 소인수 분해를 빠른 시간 내에 처리한다. 이는 암호화 시스템에 전반적으로 큰 긍정적 영향을 미칠 것이라 기대된다.
(3) 약물 개발 가속화
일반 컴퓨터는 분자의 상호작용을 정확히 시뮬레이션하기가 어렵다. 이에 비해, 양자 컴퓨터는 양자 역학의 분자 수준에서 정확한 시뮬레이션을 구사하여 약물 개발이 가속화되고 효율적으로 만들 수 있다.
(4) 기후 변화에 따른 환경 문제 해결
양자 컴퓨터는 기후 변화, 에너지 효율성 등의 환경 문제를 해결 할 수 있는 복잡한 시뮬레이션을 신속히 처리가능하다. 화학반응과 관련된 난제를 해결하여 환경에 부정적 영향을 미치는 것을 줄여주며 새 친환경 기술 개발을 가속화한다.
3. 양자 컴퓨터의 미래
세계 최대 가전 및 IT 전시회인 'CES 2025'에서 엔비디아 최고경영자(CEO)인 젠슨 황의 연설 내용을 주목할 필요가 있다. 젠슨 황은 양자 컴퓨터가 상용화되는데 15년에서 30년을 걸릴 것이라고 전망하고 있다. 양자 컴퓨터의 상용화 전망은 여러 의견들이 존재하며 개발속도는 정확히 예상이 어려운 게 실정이긴 하지만 공신력 있는 전문가 젠슨 황의 말은 신빙성이 있다고 본다.
젠슨 황은 'GTC 2025: 양자 컴퓨팅의 미래를 밝히는 양자의 날'에 관련 업계 리더들을 초대해 양자 컴퓨팅의 현황과 미래에 대해 논의할 예정이며 이에 대한 내용은 굉장히 유익할 것이다. 참여 기업들로는 아이온큐, 리게티 컴퓨팅과 D웨이브 등이 포함되어있다.
또한, 엔비디아는 '양자 컴퓨팅은 컴퓨터 과학 분야의 가장 흥미로운 분야 중 하나로, 가능하다고 여겨지는 수준을 뛰어넘어 가속 컴퓨팅의 발전을 약속하며 약물 발견과 재료 개발 등에 이르러 다양한 분야에서의 긍정적 영향을 끼칠 것이다'라고 한다.
여러 양자 컴퓨터 전문가들을 포함하여 앞으로 젠슨 황의 양자 컴퓨터 관련 발언은 관련 주들의 주가에 큰 영향을 미칠 것이다.
4. 양자 컴퓨터의 한계점
(1) 큐비트의 불안정성 (디코히런스)
큐비트는 매우 민감하고 불안정하다고 볼 수 있다. 큐비트는 외부에 의해 상태가 변하거나 디코히런스 현상이 발생한다. 이는 양자상태가 깨지거나 정보를 잃게 만들어서 계산이 잘못되는 문제를 안긴다. 특히, 양자컴퓨터는 초저온 상태를 유지해야 하는데 이 기술은 더 발전할 필요가 있다.
(2) 양자 오류 문제
양자 컴퓨터는 오류가 잘 발생하며 오류에 취약하다. 양자 오류 수정 알고리즘은 현재 존재는 하지만 이를 구현하기 위한 큐비트 수는 방대하다. 이는 자원 소모가 많아지는 취약점을 의미한다.
(3) 알고리즘 개발 필요성
양자컴퓨터는 새로운 프로그래밍 언어 및 알고리즘을 필요로 한다. 아쉽게도, 기존 프로그래밍 언어는 양자컴퓨터에 적용할 수 없다. 따라서 양자 알고리즘을 만들기 위한 새로운 기술이 필요하다. 양자소프트웨어의 개발은 2025년 초 현재, 초기 단계이며, 양자컴퓨팅을 할 실제 응용 프로그램이 적은 게 현실이다.
