지난 20년간 빠른 기술의 발전으로 인류 역사상 컴퓨터 분야에서는 가장 많은 발전이 있었습니다. 컴퓨터의 하드웨어 발전에 따라 과거에는 많은 제약에서 개발되던 프로그램이나 서비스는 메모리나 저장공간에 많은 신경을 쓰며 최대한의 효율을 중심으로 개발되었으나, 지금은 제약에서 많이 벗어난 형태로 더 높은 성능에 맞추어 개발되고 있습니다.
하지만, 이런 컴퓨터의 하드웨어 기술에도 한계가 다가오며 코딩과 여러 처리 방식의 발전으로는 해결이 불가한 수준에 다가온 시점이 가까워지고 있습니다.
이번 포스팅에서는 기존의 컴퓨터의 한계를 해결할 양자 컴퓨터에 대해서 다루어 보도록 하겠습니다.
양자 컴퓨팅이란?
양자 컴퓨팅을 이해하기 위해서는 먼저 양자 컴퓨터에 대해서 알아야 합니다. 기존의 우리가 사용하는 컴퓨터는 정확하게 0과 1로 정해진 정확한 답을 출력하는 기계입니다. 하지만, 양자 컴퓨터는 양자역학적 현상을 이용하여 0과 1의 값이 동시에 존재할 수 있는 방식이기에 좀 더 방식이 기존의 컴퓨터에 비하여 빠르고 더 정확하다는 특징을 가집니다.
양자 컴퓨팅은 이런 양자역학을 기반으로 제작된 양자 컴퓨터를 이용한 컴퓨팅 기술을 의미합니다. 우리에게 보급된 컴퓨터는 비트(bit)를 통해 이진수(0, 1) 단위를 통해 데이터를 처리합니다. 양자 컴퓨터는 비트와는 달리 큐비트(qubit) 형식의 단위를 통해 0과 1값을 동시에 가지는 양자 중첩 상태를 가지며 이런 방식을 사용한 결과, 단순히 정해진 한 가지 작업이 아닌 여러 가지 작업을 수행하는 능력을 장점으로 여겨집니다.
이런 양자 컴퓨터의 기본 데이터 단위인 큐비트는 단독으로 존재하지 않고 병렬로 연결되어 있으며 각 데이터가 연결되어 존재하기에 서로 “얽혀 있다”라고 칭합니다. 이런 얽힌 상태가 양자 컴퓨터의 연산 능력에 가장 중요한 역할을 합니다.
따라서, 양자 컴퓨팅 기술을 사용하여 기존의 기술을 대체하면 연산의 속도가 기하급수적으로 빨라지며 AI, 자동화, 대규모 데이터 처리 분야에 있어서는 엄청난 속도의 발전이 가능하다는 잠재력을 가진다고 평가됩니다.
양자 컴퓨팅의 잠재력과 응용될 분야
양자 컴퓨터를 개발하고 이미 IBM과 같은 여러 제조업체는 이미 생산에 들어간 상태입니다. 하지만, 기술이 안정되지 않고 아직 널리 보급되지 않은 상황이라 일반 기업들도 도입하기에는 아직 많은 시간이 소요될 것으로 예측됩니다. IBM은 추후 10년 내로 양자 컴퓨터가 지금의 컴퓨터를 대체할 것으로 보고 있습니다.
그럼 양자 컴퓨팅이 상용화되면 어떤 분야에서 잠재력이 도드라질지에 대해서 조금 더 자세하게 알아보도록 하겠습니다.
1. 암호 해독
우선, 암호 해독 분야입니다. 양자 컴퓨터의 장점은 병렬 처리 속도가 기존 컴퓨터에 비해서 어마무시한 속도를 가졌다는 것입니다. 보안 업계에서도 양자 컴퓨터가 보급화되면 보안 분야가 가장 먼저 공격당할 것이라고 예측합니다. 실제 지금 사용 중인 암호는 소수의 곱으로 이루어진 공개 키를 기반으로 만들어져 있는데, 양자 컴퓨터에 소어 알고리즘(소인수 분해 알고리즘)과 같은 특정 알고리즘을 사용하면 이런 암호를 뚫는 시간이 매우 단축되어 비교적 쉽게 해킹이 가능하다는 것입니다.
물론, 반대로 암호를 양자 컴퓨터를 통해 새로운 방식으로 만들어 낼 수 있지만 이전에 비해서 해킹에 대한 위험이 그만큼 더 증가하기 때문에 문제가 커진다는 것을 의미합니다.
2. 약물 개발 및 화학 분야 시뮬레이션
의학 분야에서 약물의 반응이나 분자 구조를 결합하고 결과를 테스트 하는 방법으로 컴퓨터의 기술을 많이 사용합니다. 양자 컴퓨터의 성능이라면 시뮬레이션에 대한 분야에는 지금은 불가능한 성능의 한계에서 벗어나 대부분의 분자와 양자 상태의 모델링이 가능할 것으로 보입니다.
새로운 약물을 만드는 과정에서는 여러 물질들의 화학 반응의 시뮬레이션을 반드시 거치기 때문에 제약 분야와 화학 분야에는 많은 발전에 기여할 것으로 예측됩니다.
3. 최적화 문제 해결 분야
최적화 문제를 해결하는 분야는 아마도 현 산업에서 가장 필요로 하는 부분이 아닐지 생각됩니다. 물류, 금융, 에너지 효율, 도시 계획 분야에서는 가장 최적의 문제 해결을 위해 많은 시간과 자원을 투입하여 최선의 방법을 만들어내는 과정을 진행하지만 지금 수준에서는 아직 해결이 불가한 문제가 많습니다.
양자 컴퓨터는 이런 문제에 대해서 유연하게 처리 가능한 능력을 갖췄기에 이런 분야에 도입하면 많은 변수 중 가장 최적의 결과를 가진 방식을 도출하여 많은 비용과 시간을 단축시켜 줄 것으로 기대합니다.
수학이나 컴퓨터 알고리즘 분야에서도 양자 컴퓨터에 대한 기대가 큽니다. 난재나 해결 불가능한 방식으로 알려진 다양한 문제들이 양자 컴퓨터를 이용하면 곧 해결 방식이 나올 것으로 추측하는 의견도 많습니다.
양자 컴퓨터의 상용화 이전에 해결할 문제는?
해외는 물론 국내에서도 양자 컴퓨터의 기술이 연구 단계에서 생산 단계로 넘어가는 만큼 상용화에는 10년을 보고 있습니다. 하지만, 아직 양자 컴퓨터의 기술에는 상용화에 이르기에는 많은 한계점이 존재한다고 보고됩니다.
가장 큰 문제로는 안전성, 양자 컴퓨터 자체의 개발 문제, 기존의 방식과는 다르기에 양자 컴퓨터를 사람이 사용하도록 환경을 마련하는 소프트웨어의 개발 방식에 대한 문제 등 여러 문제점이 있는데 조금 더 자세하게 보도록 하겠습니다.
1. 큐비트의 안전성 문제
양자 컴퓨터의 성능은 큐비트의 안정성에 좌우됩니다. 큐비트 간의 병렬연결로 인한 안전성의 유지에 대한 문제도 아직 해결되지 않았으며 보급화 된다고 하면 외부에서 사용 가능하도록 노이즈나 설치 환경에 견디고 냉각하는 구체적인 방식이 필요한데 아직은 조금 더 개발이 필요하다는 평가가 많습니다.
이런 문제점을 해결하기 위해서는 큐비트의 오류 발생 시 처리하는 기술과 큐비트 자체의 안정화 기술이 필요합니다.
2. 하드웨어 개발 문제 (비용)
양자 컴퓨터는 이론에서 실제로 제작하여 데이터의 처리가 가능한 구현 단계까지는 이미 진행되고 상용화를 위한 제작 단계를 지나는 과정입니다. 하지만, 양자 컴퓨터의 특성상 작동을 위해서는 영하의 단계에서 동작한다는 것을 감안하면 별도의 설치를 위한 공간과 공사 및 시공의 단계가 필요하다는 것을 의미합니다.
양자 컴퓨터의 본질인 큐비트를 안정된 상태에서 구동하는 방식은 해결이 쉽지 않은 문제인 만큼 민간이나 기업에 효율적으로 보급화를 진행하기에는 아직은 많은 기술 개발과 여러 방식에 대한 처리가 필요하다는 것을 감안하면 개발되어도 클라우드 기술처럼 기업이 운영하며 개인들은 원격으로 사용료를 납부하고 접속하는 방식으로 보급이 되지 않을까 사료됩니다.
3. 소프트웨어 및 알고리즘 개발 문제
큐비트의 안정화 문제와 하드웨어의 제작 문제를 해결하였다면 다음 문제는 소프트웨어와 동작을 위한 알고리즘 개발 문제입니다.
양자 컴퓨터의 잠재력을 최대한 활용하기 위해서는 기존의 컴퓨터와는 달리 0과 1을 동시에 처리하는 병렬 처리 방식의 큐비트에 맞게 가장 효율적으로 처리를 진행하는 데이터 처리 방식의 알고리즘을 개발하여 소프트웨어로 적용하여 필요로 하는 작업에 맞게 코딩을 통해 프로그램으로 개발하는 방식이 필요합니다.
따라서, 양자 컴퓨터에 맞는 알고리즘, 소프트웨어, 새로운 프로그래밍 언어의 개발 또한 양자 컴퓨팅의 사용을 위해서는 해결해야 할 문제로 남아 있습니다.
마치며
이번 포스팅에서는 양자 컴퓨팅에 대해서 조금 자세하게 다루어 보았습니다. 양자 컴퓨팅은 전통적인 컴퓨터의 방식에서의 한계점을 뛰어넘기 위한 새로운 방식의 컴퓨터 기술로서 지금은 해결 불가능한 여러 문제와 작업에 적합한 기술로 여겨집니다.
양자 컴퓨터의 개발은 아직 상용화에 있어서는 초기 단계에서 서서히 진행 중이지만, 상용화가 된다면 지금까지의 20년과는 달리 더 빠른 기술 발전으로서 우리 생활이 다른 양상으로 바뀔 것으로 예측됩니다.
다음 포스팅에서도 유익한 정보로 찾아 뵙겠습니다. 감사합니다.