양자 컴퓨터는 과거 양자 이론과 양자역학에 관한 연구와 발전으로 현재의 PC의 연산체계를 양자이론으로 전환하고자 한다. 기존의 PC는 0과 1로 이진법 연산하는 방식이며, 양자컴퓨터는 0과 1을 여러 중첩상태로 복잡한 연산을 동시에 처리할 수 있다.
이러한 양자컴퓨터는 현존 최고의 슈퍼 컴퓨터가 수백 년이 걸려도 풀기 힘든 문제도 단 몇 초 이내의 속도로 빠르게 풀 수 있을 것으로 전망되고 있는데, 이글을 통해 양자컴퓨터가 가져다줄 미래를 알아보도록 하자.
양자컴퓨터의 시작은?
현재까지 PC의 연산단위는 0과 1을 구분하는 것을 비트(bit)라고 한다. 그러한 비트들이 많을수록 빠르고 많은 연산이 가능해진다.
이러한 비트는 트랜지스터라는 물리적 장치로 0과 1을 구분한다. 그 트랜지스터를 계속해서 소형화하고 많은 수를 장착시켜 정보처리장치(CPU)를 개발했고, 현재까지 물리적으로 3나노미터 공정까지 개발한 상태다. 가장 많이 쓰는 14나노미터 공정은 적혈구보다 500배 작은 크기다. 따라서 원자의 크기에 근접하고 있다. 이렇게 물리적 한계에 다다른 상태다.
그래서 일찌감치 노벨물리학상을 받 세계적인 물리학자 리처드 파인만(1918.05.11~1988.02.05)은 양자컴퓨터를 구상한다.
양자컴퓨터는 물리적인 장치로 0과 1을 연산하는 것이 아닌 에너지를 분해하여 나온 양자를 가두고 연산하는 것으로 이 단위를 퀀텀 비트(Quantum Bit) 줄여서 큐비트(Qbit)라고 부른다. 양자는 0과 1이 아니라 그 둘 다인 상태로 존재한다.
이것을 중첩이라고 부른다. 이런 중첩이 많으면 많을수록 기하급수적으로 연산 가능하게 되는데, 예를 들어 20개의 큐비트로 100만가지를 한번에 연산할수 있다.
이러한 내용을 붙이고 정리하자면,
- 1965년 : 물리학자 리처드 파인만, 양자컴퓨터 개념을 처음 제시
- 1982년 : 리처드 파인만이 양자시스템을 기반으로 한 컴퓨팅의 이점을 설파하기 시작
- 1985년 : 영국 물리학자 데이비드 도이치가 튜링 기계 개념에 양자 이론을 적용한 ‘범용 양자 컴퓨터’에 관한 논문을 발표했다.
- 1999년 : 조르디 로즈가 세계 최초의 양자컴퓨팅 기반 컴퓨터 판매 회사 디웨이브 시스템즈(D-Wave Systems)를 설립했다.
- 2001년 : IBM 알마덴 연구센터(Almaden Research Center)는 7큐비트 양자컴퓨터 계산을 수행했다.
- 2010년 : 디웨이브 시스템즈가 최초의 상용 양자컴퓨터 ‘디웨이브원(D-Wave One)’을 출시했다.
그 이후 구글의 시카모아 프로세서, IBM의 이글 프로세서, 아이온큐(IonQ), 중국의 쭈충즈(祖沖之) 2.1 등 계속해서 양자컴퓨터를 개발하고 있다.
현재의 양자컴퓨터 수준
이러한 시초로부터 현재까지의 개발 상태는 아쉽게도 아직 미비한 상태다. 단순히 큐비트(Qbit)를 늘린다고 해서 현재 쓰고 있는 PC보다 낫다고 할 수 없다. 그 이유를 아주 단순하게 설명하자면, 기존의 PC는 입력값에 따라 차례대로 인식하여 연산하지만, 양자의 중첩상태는 모든 경우의 수를 한 번에 나타나게 되어 아주 간단한 명령조차 모호하게 된다.
그래서 간단한 연산에도 여러 가지 복잡한 수학적 알고리즘을 이용해야 하는 번거로움과 그에 따른 부가적인 수고를 해야 한다.(극단적인 예로, 그냥 계산기나 주판이 낫다는 것이다.)
그렇게까지 다 적용하고 기존PC보다 빠르다는 것인가? 빠를 수도 있고, 더 느릴 수도 있다. 즉, 활용성의 문제인 것이다.
그러면 양자컴퓨터로 뭘 어떻게 활용할 수 있는지 물을 수 있다. 이것만 기억하면 빠르게 이해될 것이다. 양(quantity)이다. 주로 기대되는 것은 대량의 데이터베이스를 검색하는 것이다. 기존의 PC는 특정 데이터를 검색하라고 명령하면, 컴퓨터는 100만 개면 100만 개를 순서대로 검색한다.
그래도 빠르다고 느껴질 것이다. 사람이 하는 것보다는 차원이 다르니까. 그러나 양자컴퓨터에선 100만개를 한번에 볼 수 있다. 이것은 마치 혁명 그 자체라고 볼 수 있다.
그러나 양자컴퓨터는 태생상 큰 문제를 안고 있다. 위에서 말한 것처럼 일반적으로 양자중첩상태에서 제어하기 어려우므로 양자컴퓨터의 알고리즘이 똑바로 작동했는지 아닌지를 알기 어렵고, 오류도 많다고 알려졌다. 또한, 간섭을 통해 에너지 소실이 발생할 가능성이 일반 컴퓨터보다 높아, 양자컴퓨터가 일반 범용컴퓨터 우위를 달성했다고 해도 그 검증을 하기가 어렵다.
그리고 양자컴퓨터의 하드웨어 작동 여부는 여러 가지 극한 여건에서 발현되는 것도 걸림돌이다. 큐비트(Qbit)를 잡아두기 위해 차폐시설을 견고히 해야 한다. 초전도체, 방진, 방음, 차진 설비 등을 해야 하므로 부피와 비용이 천문학적으로 들고, 이를 간섭하기 위한 장치 또한 쉽지 않기 때문이다. 시간이 지남에 따라 조금씩 소형화되기야 하겠지만, 이를 뒤 받침 해줄 신물질을 발견하기 전까지는 일반인이 사용하기 어렵게 생각한다.
하지만 현재까지 개발과 연구가 지속하고 있으며, 현재 IBM 433큐비트(Qbit), 구글 100큐비트가 양대 산맥으로 앞서 나가고 있다. 추후 IBM에서는 1,121개 큐비트의 양자컴퓨터를 개발하고 있다고 밝혔다. 프로젝트 참여는 200여 개국. 한국도 포함되고 있지만, 단독 계획은 2024부터 있는 것으로 알려졌다. 그러나 프로세서 명칭조차 정해지지 않았으니, 너무 기대하지는 말자.
양자컴퓨터가 가져다줄 미래
가까운 미래에는 기업 또는 국가에서만 양자컴퓨터를 운영할 것으로 바라본다. 비용도 비용이지만, 이 엄청난 물건을 모두와 공유하지 않을 것이다. 그리고 활용성과 효율성만 따지고 본다면, 개인이 사용하기에는 이미 비트(bit) 컴퓨터만으로 충분하기 때문이다.
또한, 보안에도 위협이 되는 것이기 때문에 많은 견제와 제도 도입이 불가피해 보인다. 예로, 양자컴퓨터의 이론만 접한 과학자 또는 일반인들도 제일 먼저 떠오른 것이 암호일 것이다. 이렇듯 양자컴퓨터는 적어도 인류가 쓰는 모든 암호를 해독할 것으로 기대하고 있다.
그래서 이미 미국 상무부 국립표준기술연구소(NIST)는 2017년에 포스트 퀀텀 암호화(PQCrypto) 표준화 프로세스를 시작했다. 즉, 양자컴퓨터에 대한 보안대책을 마련하고 있고, 이미 많은 대책을 해놨다는 것이다. 하지만 결국 해커가 마음먹기에 달라진다고 생각한다. 그래서 더욱 견제될 수밖에 없다.
이렇듯 양자컴퓨터는 기정사실로 되고 있으며, 언제부터 상용될지가 초미의 관심일 수밖에 없다.
상용화가 되는 시점부터 인류 발전 속도는 기하급수적으로 빠를 것으로 보인다. 상상이 되지도 않지만, 조심스럽게 1년 단위 반년 단위로 혁신이 일어날 것으로 본다.
분야도 양자역학, 생명공학, 천문학, AI 딥러닝, 우주공학 등 데이터양이 방대한 쪽부터 짧은 시간에 난제를 풀 수 있을 것으로 본다. 그 이후 시간은 문제가 아니라 창의력에 달려 있다고 생각해 본다.
미안한 이야기지만 구체적인 미래를 예측할 수 없다. 이유는 인류가 하나의 문명이라면 구체화에 다가갈 수 있지만, 인류에는 정치라는 장치가 존재하고, 그 정치가 대부분을 장악하고 있기 때문이다.
예를 들어 앞서 얘기한 방대한 데이터가 하나의 순수한 물줄기로 향한다면 해피엔딩이겠지만 현실은 녹록지 않다. 국가마다 군대가 없어질 일이 없다면 필연적으로 정보 수집이 먼저다. 그리고 자국 이익이 먼저다.
그 안에서 펼쳐질 미래는 예상할 수 없다. 양자컴퓨터처럼 끝없는 경우의 수만 있겠지만, 또 다른 전쟁만 일어나지 않기를 기도할 뿐이다.
인류가 멸망하지 않는다면 먼 미래는 쉽게 예상해본다. 카르다쇼프 척도로 1,2,3단계중 2단계를 상상해 본다.(이쯤 되면 이야기가 산으로 가고 있으니, 카르다쇼프 척도는 링크로 검색 바랍니다.) 2단계는 인류의 에너지 총량에 근거하여 행성 크기만 한 구조물을 만들고 워프나 우주 공간 휘어짐을 사용할 수 있는 문명 정도로 생각하면 된다.
그 단계의 시대는 아마도 지구를 떠나 다른 행성 또는 구조물에서 거주할 수도 있겠다. 양자컴퓨터 물론, 다른 물질로 연산하고 있을 것이다. (가까운 미래에는 개인이 양자컴퓨터를 사용하기 어렵게 본다.) 쉽게 말해 스타워즈나 스타크래프트를 생각하면 된다.
다른 번외로 가까운 미래 예측 가능한 이야기는 테슬라와 Space-X로 잘 알려진 일론 머스크 이야기다.
아직까지 그의 포트폴리오에 양자컴퓨터의 언급조차 없지만 2019년 트위터로 양자역학에 관하여 ＂대단한 일＂이라며 댓글을 남기며 양자역학을 이해하는 일이 잠재적으로 SETI 탐사처럼 외계지성체를 탐색하는 프로젝트에 잠재적으로 도움이 될 것이라 강조하기도 했다. 그리고 여담이지만 일론 머스크의 고양이 이름이 바로 ＇슈뢰딩거＇라는 사실이다. 그의 머릿속에는 양자컴퓨터를 배제했다고 볼 수 없고, 언젠가는 양자컴퓨터와 운명적으로 맞이할 수밖에 없을 것이다.
그는 현재까지 벌어진 현실적인 부분에서 배척하고 있을 뿐이라고 생각한다. 가령 IBM과 아이온큐(IonQ), 구글이 양자컴퓨터 대결구도에 굳이 테슬라가 끼어들 현실적 부분을 말하는 것이다. 예컨대 현재까지 양자컴퓨터의 실효성이 제로인데 출혈을 발생시키면서까지 모험을 하지 않을 수 있다는 것이다. 단, 그의 첩보와 정보로 양자컴퓨터의 개발 단계를 간 보면서 이득이 되는 구간이 돌출되면 전격 행동할 것으로 보인다. 그것이 인수이던 단독 개발이든 간에 말이다.
변수가 있다면, 일론 머스크가 벌일 일 것인가? 그 후계자가 벌일 일 것인가? 그것은 모르는 일이다.
In conclusion
이렇게 현재까지의 양자컴퓨터와 미래를 전망해 보았다. 필자는 양자컴퓨터에 회의적인 시선보다는 언젠가 벌어질 필연적 사건으로 보고 있다. 각자 생각하는 정보도 다르고 주장하는 바가 다르겠지만, 이 글은 본인이 수집하고 느낀 것을 주관적으로 게시하였으니, 온전한 사실로 보지 않았으면 한다. : )