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'양자컴 시대'가 온다···슈퍼컴 연산 속도의 '수천 배'

8일, 온라인 'AI 멤버십데이'서 양자컴퓨터 주제 발표
최현수 워싱턴주립대 학부생 "슈퍼컴이 못하는 연산, 양자컴으로 해결한다"
최현수 학생이 AI멤버십데이에서 양자컴퓨팅을 주제로 발표에 나섰다. 양자역학을 설명하기 위해 '슈뢰딩거의 고양이'를 사례로 뽑았다. <이미지캡처 = AI프렌즈> 최현수 학생이 AI멤버십데이에서 양자컴퓨팅을 주제로 발표에 나섰다. 양자역학을 설명하기 위해 '슈뢰딩거의 고양이'를 사례로 뽑았다. <이미지캡처 = AI프렌즈>

물리학에 관심이 있는 사람이라면 누구나 양자 역학에 대해 들어봤을 것이다. 물리학을 모르는 사람이라도 어디선가 한 번쯤 들어봤을 법한 '슈뢰딩거 고양이'가 바로 양자 역학을 잘 보여주는 예시다. 존재하는 동시에 존재하지 않으며 관측하기 전까지는 상태의 중첩이 일어난다는 것이 양자 역학의 기본 원리다. 

최근 이러한 양자 역학을 기반으로 만들어진 양자 컴퓨터가 화제를 모으고 있다. 슈퍼컴퓨터의 연산 속도를 수천 배 뛰어넘는 양자 컴퓨터 시대가 도래할지 주목되는 상황이다.  

8일 유튜브 생중계로 열린 'AI프렌즈 : 멤버십데이'에서는 워싱턴주립대학에 갓 입학한 최현수 학부생이 발표로 나서 자신이 공부하고 있는 양자 컴퓨터에 대해 설명했다.

양자 역학은 원자, 분자 등의 미시적인 물질세계를 설명하는 현대물리학의 기본 이론이다. 특히, 양자의 세계를 이해하기 위해서는 '중첩'이라는 개념을 이해해야 한다. 가령, 두 개 동전을 던졌을 때 앞 또는 뒤가 나올 전체 확률은 1/4이 된다. 하지만 양자 동전이 있다고 가정했을 때 앞과 뒤가 중첩돼 구분이 불가하므로 확률은 줄어들게 된다. 이처럼 양자 역학은 각 개념이 중첩될 수 있고 관찰하기 전까지는 대상을 파악할 수 없다는 특징을 갖는다. 

양자 역학의 중첩원리는 컴퓨터 작동원리에도 적용할 수 있다. 양자 역학을 기본 전제로 만들어진 컴퓨터인 양자 컴퓨터가 그것이다. 양자 컴퓨터는 말 그대로 양자 역학적인 물리현상을 활용해 계산을 수행하는 기계 시스템이다. 현재 일반적인 컴퓨터는 트랜지스터, 커패시터 기반의 0과 1로 표현되는 2진법 '비트' 단위를 사용한다면 양자컴퓨터는 '큐비트' 단위를 사용해 비트의 개념을 확장할 수 있다.

즉, 양자 역학에서는 두 상태가 중첩될 수 있기 때문에 고전적으로 가능하지 않은 계산을 하거나, 기존의 일반 컴퓨터보다 획기적인 빠르기로 계산할 수 있다는 얘기다. 기존 컴퓨터의 연산속도보다 수백 배에서 수천 배, 혹은 그 이상 차이가 날 수 있다. 

그렇다면 양자 컴퓨터가 모든 컴퓨터를 대체할 수 있을까. 최현수 학생의 대답은 단호하게 NO를 외친다. 그는 "GPU와 CPU가 서로 다른 기능을 가진 것처럼 슈퍼컴퓨터를 포함한 일반 컴퓨터와 양자 컴퓨터는 다른 영역에서 활동할 것"이라면서 "단지 일정 상황에서 양자의 우월성이 증명돼 기존 컴퓨터보다 빨리 처리할 수 있는 문제에 한 해 일반 컴퓨터를 보조하는 역할을 수행할 것"이라고 답했다. 

양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 여러 조건들이 필요하지만 특히 최 학생은 '결 잃음 현상'을 강조한다. 결 잃음 현상이란 쉽게 말해 양자 결집상태가 에너지를 가지고 있지 못하고 에너지가 새어나가 계산에 실패하는 것을 말한다.

최현수 학생은 "원자라는 것 자체가 혼자 격리되는 것이 불가능하며 일정 시간이 흐르면 다른 원자와 '결맞음 현상'이 생기면서 결 잃음 현상이 생기는 것"이라면서 "이러한 현상을 완전히 없애는 것은 불가능하지만 이를 느리게 할 수는 있다. 결 잃음 현상을 충분히 느리게 하는 것이 양자 컴퓨터의 가장 중요한 조건"이라고 강조했다.

이러한 결 잃음 현상을 줄일수록 컴퓨터에서 나타나는 오류를 방지할 수 있다. 하지만 아직까지 이러한 오류를 제어하는 것은 실질적으로 매우 어렵다. 현재는 소규모의 양자 비트를 제어하고 간단한 양자 알고리즘을 실행하는 수준이다.    
  
그럼에도 불구하고 양자 컴퓨터는 미래에 다양한 영역에서 활용이 가능할 것으로 보인다. 국가, 군사 보안, 신약 개발, 게임, 심지어는 머신러닝에서도 그 가능성을 발견하고 있다. 최현수 학생은 "양자의 활용영역은 무궁무진하다"라면서 "미래에는 양자 컴퓨팅의 시대가 올 것이며 슈퍼컴퓨터와 함께 다양한 영역에서 활용이 가능해질 것"이라고 자신했다. 
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