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[퀀텀 컴퓨팅 들여다보기 (3)] 강력한 양자 알고리즘의 원동력 ‘중첩과 얽힘’, 퀀텀 컴퓨팅의 핵심이다
최봉 산업경제 전문기자
입력 : 2023.09.12 00:30
ㅣ 수정 : 2023.10.23 14:40
[기사요약]
‘얽힘(entanglement)’, 중첩과 함께 퀀텀 컴퓨팅 작동 방식과 관련한 중요한 개념
두 큐비트가 서로 연결되어 하나의 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 영향을 미치는 현상
중첩과 얽힘 현상 이용하는 퀀텀 컴퓨터, 기존 컴퓨터보다 복잡한 계산 더 효율적으로 수행
퀀텀 컴퓨터 다양한 이점 제공: 속도, 복잡한 프로세스 해결 능력, 시뮬레이션, 최적화
퀀텀 컴퓨팅(Quantum computing)은 양자 기술(Quantum technology)의 대표주자로 인공지능(AI)과 함께 최근 글로벌 시장에서 가장 각광받고 있는 분야다. 디지털 컴퓨팅이 주도하는 기존 컴퓨터의 패러다임을 완전히 바꿀 것으로 예상되는 퀀텀 컴퓨팅은 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 미지의 영역까지도 해결의 실마리를 제공하는 막강 영향력을 행사할 것으로 기대한다. 이에 따라 우리 정부도 양자 기술의 선도국가가 되기 위해 노력하고 있다. 그렇다면 퀀텀 컴퓨팅 ‘격전지’에서는 어떤 일이 벌어지고 있는지 따라가 보기로 한다. <편집자 주>
[뉴스투데이=최봉 산업경제 전문기자] 퀀텀 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 근본적으로 다른 방식으로 정보를 처리한다.
전통적인 컴퓨터는 이진(0, 1) 비트로 작동하지만 퀀텀 컴퓨터는 큐비트(Qubit)를 통해 정보를 전송한다(본 시리즈 2편(2023.8.23) 참조).
중첩(superposition) 상태를 유지하는 큐비트의 능력은 기하급수적으로 더 큰 계산 능력을 발휘할 수 있는 양자 잠재력의 핵심이다.
• 퀀텀 컴퓨팅의 핵심 작동 방식의 원리, ‘중첩과 얽힘’
중첩과 함께 퀀텀 컴퓨팅 작동 방식과 관련한 중요한 개념이 ‘얽힘(entanglement)’이다. 얽힘은 두 큐비트가 서로 연결되어 하나의 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 영향을 미치는 현상을 말한다.
양자 입자는 서로 측정값을 일치시킬 수 있으며, 이러한 상태에 있을 때 이를 얽힘이라고 한다. 얽힘 중에 한 큐비트의 측정값을 사용하여 다른 큐비트에 대한 결론에 도달할 수 있다.
지난 편(본 시리즈 2편(2023.8.23))에서 언급했던 동전 던지기를 다시 한번 생각해보자.
동전을 던지고 바닥에 떨어졌을 때(또는 손으로 잡았을 때) 앞면 또는 뒷면이 나오는 것, 그리고 동전이 여전히 공중에서 회전하는 동안 앞면도 뒷면도 아닌 상태, 이 모든 것을 표현할 수 있는 것이 중첩이라 했다.
이제 동전 2개를 던졌다고 생각해보자. 하나가 앞면이 나오면 다른 하나도 무조건 앞면이 나오는 현상, 이것이 퀀텀 컴퓨팅의 ‘얽힘’이다.
너무나 이해하기 어려운 얽힘 현상에 대해 아인슈타인은 이를 “원거리에서의 으스스한 작용(spooky action at a distance)”이라고 불렀다(Wired, 2023.2.22).
그래서일까? 그는 죽을 때까지 양자 물리학의 얽힘 현상을 믿지 않았다고 한다.
중첩된 두 큐비트가 얽히면 하나의 특정 작업이 다른 큐비트에 즉각적인 영향을 미치며, 이는 양자 알고리즘이 기존 알고리즘보다 더 강력해지는 데 도움이 된다. 따라서 중첩과 얽힘 현상을 이용하는 퀀텀 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 복잡한 계산을 더 효율적으로 수행할 수 있다.
• 퀀텀 컴퓨터, 탁월한 계산 능력으로 여러 이점 제공
양자 알고리즘을 활용하여 기하급수적으로 더 큰 계산 능력을 발휘할 수 있는 퀀텀 컴퓨터는 다음과 같은 이점을 제공할 수 있다.
첫째, 속도다. 앞서 여러 번 강조했듯이 퀀텀 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 비교할 수 없을 정도로 빠르다.
구글의 퀀텀 컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’가 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 1만년 걸리는 계산을 200초 만에 수행했다는 얘기는 지난 편(본 시리즈 1편(2023.8.16))에서 소개했었다.
또한 퀀텀 컴퓨팅은 몬테카를로 모델(Monte Carlo model)과 같은 금융 포트폴리오 관리 모델의 속도를 높일 수 있는 잠재력을 가지고 있다. (※몬테카를로: 대표적인 시뮬레이션 기법)
둘째, 복잡한 프로세스를 해결하는 능력이다. 퀀텀 컴퓨터는 ‘중첩’ 특성을 활용하여 여러 개의 복잡한 계산을 동시에 수행하도록 설계되었다.
이는 암호화 또는 암호해독기술을 개발하는 데 도움이 되는 소인수 분해(prime factorization)에 특히 유용할 수 있다.
소인수분해는 현재 글로벌 인터넷 보안 및 개인 정보 보호 인프라의 대부분을 뒷받침한다. 은행 잔고, 비트코인, 신용 카드, 소셜 미디어 비밀번호 및 사이버 범죄자가 관심 갖는 거의 모든 것(기존 컴퓨터로는 감당하기 어려움)은 인수분해 문제로 보호할 수 있다(HBR, 2023.1).
셋째, 시뮬레이션이다. 퀀텀 컴퓨터는 복잡한 시뮬레이션을 실행할 수 있다. 기존 컴퓨터보다 더 복잡한 시스템을 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있을 만큼 빠르다.
획기적인 시뮬레이션 사례로, 2017년 IBM의 연구원들이 현재까지 퀀텀 컴퓨터에서 시뮬레이션한 가장 큰 분자인 베릴륨 수소화물(beryllium hydride)을 모델링한 것이었다.
또한 아이온큐(IonQ) 연구원들이 퀀텀 컴퓨팅을 사용하여 물 분자를 시뮬레이션함으로써 이 분야의 더 큰 도약을 이루기도 했다(builtin, 2022.8.17).
넷째, 최적화다. 최적화 알고리즘은 주어진 시나리오에서 특정 목표를 달성할 가능성이 가장 큰 대안을 결정한다.
예를 들어, 투자 관리자는 기대 수익과 일부 위험 측정치의 균형을 맞춰 고객을 위한 최적의 은퇴 전략을 찾으려고 한다. 양자 최적화 알고리즘은 솔루션의 품질을 향상시키고 솔루션을 찾는 계산 속도를 높일 수 있다(HBR, 2023.1).
위에서 제시한 퀀텀 컴퓨터의 다양한 분야에서의 활동과 그에 따른 이점은 이후 시리즈에서 소개할 기회가 있을 것이다.
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