양자컴퓨터

양자컴퓨터는 무엇인가요

양자컴퓨터는 양자 컴퓨팅이라는 계산 방법을 쓰는 기계예요. 양자 컴퓨팅은 컴퓨터 과학, 물리학, 수학의 여러 측면으로 이뤄진 종합 분야로, 양자역학을 활용해 기존 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 문제를 풀려고 해요.

IBM은 양자 컴퓨팅을 양자역학의 독특한 성질을 이용해 가장 강력한 고전 컴퓨터로도 풀기 어려운 문제를 해결하려는 신생 분야라고 설명해요. 아주 작은 세계를 다루는 양자역학이 알려 주는 원리를 이용해 고전 컴퓨팅만으로는 쓸 수 없는 수학적 방법으로 문제를 풀 수 있다는 거예요.

양자컴퓨터는 큐비트와 중첩과 얽힘으로 어떻게 계산하나요

고전 컴퓨터에서 자료의 양은 비트로 재요. 양자컴퓨터에서는 큐비트로 재요. 양자 계산의 기본 원칙은 입자의 양자적 특성이 자료를 나타내고 구조화할 수 있고, 양자적 메커니즘으로 그 자료에 대한 연산을 수행하도록 만들 수 있다는 거예요.

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한국고등과학원 자료는 비트와 달리 큐비트가 0과 1을 동시에 표현하는 중첩 상태를 나타낼 수 있고, 큐비트끼리 얽혀 있다면 한 큐비트의 측정 결과가 다른 큐비트 상태에 영향을 미치기도 한다고 설명해요. 이런 중첩과 얽힘 덕분에 양자컴퓨터만의 독특한 연산 방식이 가능해요.

왜 양자컴퓨터는 연구하기 까다롭나요

큐비트 정보는 외부와의 상호작용으로 쉽게 손상될 수 있어서 큐비트가 든 회로의 에너지가 밖으로 새지 않도록 해야 해요. 양자컴퓨터가 정보 교환에 쓰는 양자 얽힘에는 큰 비용이 들어서, 얽힘을 가능한 한 줄이고 부정보를 활용해 정보를 교환하는 방식도 개발됐어요.

양자컴퓨터는 어떻게 구성되고 어떤 종류가 있나요

물리적으로 큐비트를 만드는 방식은 여러 가지예요. 한국고등과학원 호라이즌은 양자컴퓨팅의 다양한 물리적 플랫폼으로 초전도, 이온 포획, 원자 기반 QPU, 측정 기반 광집적회로를 연재로 소개해요.

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양자컴퓨터가 효율적으로 풀 수 있는 문제군은 BQP라고 불러요. 여기서 효율적이란 정해진 오차 범위 안에서 다항 시간에 푼다는 뜻이고, 소인수 분해와 이산 로그 문제가 BQP에 속해요.

양자컴퓨터를 만드는 과정은 어떻게 되나요

초전도 양자컴퓨터는 초전도 물질로 만든 전자회로예요. 큐비트 정보가 쉽게 손상되기 때문에 전기저항이 0인 초전도체로 회로를 제작해야 안정적으로 동작해요. 초전도 현상은 1957년 바딘, 쿠퍼, 슈리퍼가 전자가 쌍을 이루는 쿠퍼쌍 개념으로 설명했고, 초전도체 안의 모든 쿠퍼쌍이 결맞음을 유지한 채 하나의 상태로 행동해서 초전도 회로의 전류나 전압을 하나의 양자 상태로 표현할 수 있어요.

만드는 과정에는 샹들리에처럼 생긴 희석식 극저온 냉각기에 회로를 붙여 아주 낮은 온도에서 작동시키는 일, 큐비트 수를 늘려 시스템을 확장하는 일, 정보를 오래 유지하며 성능을 높이는 일이 들어가요. 한국에서는 극저온 냉각 시스템과 제어·계측 장비 같은 양자컴퓨터 시스템의 주요 부품을 만드는 기업도 있어요.

양자컴퓨터의 역사는 어떻게 되나요

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최근 몇 년간 IBM과 구글의 양자컴퓨터가 특정 문제를 슈퍼컴퓨터보다 빠르게 계산했다는 소식이 있었지만, 얼마 지나지 않아 더 뛰어난 고전 알고리즘이 개발되어 슈퍼컴퓨터가 앞섰다는 소식도 함께 전해졌어요. 이렇게 엎치락뒤치락 발전하고 있어요.

양자컴퓨터는 현재 어디에 쓰이나요

IBM은 양자컴퓨터가 실제로 두 가지 일에 쓰일 것으로 기대해요. 하나는 물리 체계의 움직임을 모델링하는 일이고, 다른 하나는 정보의 패턴과 구조를 찾아내는 일이에요. 화학과 재료 과학에서는 약품이나 공학에 쓸 분자 후보를 더 빨리 찾는 데 도움이 될 수 있고, 단백질 접힘 같은 생물학과 금융에도 쓸 수 있어요. IBM은 양자컴퓨팅이 2035년까지 1조 3천억 달러 규모의 산업이 될 것으로 추정해요. IBM, 아마존, 마이크로소프트, 구글 같은 큰 기관과 리게티, 아이온큐 같은 신생 기업이 이 기술에 크게 투자하고 있고, 연구의 상당 부분은 어떤 알고리즘과 응용이 가능한지 찾는 일과 기술 자체를 만드는 일에 쓰여요. 양자역학은 우주의 운영 체제 같은 것이라서 양자 원리로 정보를 처리하는 컴퓨터는 물리 체계를 모델링하는 데 이점이 있다고 IBM은 설명해요.

암호와의 관계도 자주 이야기돼요. 공인인증서는 2048비트 RSA 암호화 키를 쓰는데 양자컴퓨터로 이를 깨려면 큐비트가 5,000개 이상 필요하다는 전문가 설명이 소개돼요. 현재 개발된 양자컴퓨터는 100큐비트 수준이라 아직 먼 이야기예요.

한국에서는 2023년 10월 국회를 통과해 이듬해 11월부터 시행된 양자 과학기술 및 양자 산업 육성에 관한 법률이 종합계획 수립과 기술개발, 상용화 촉진을 규정해요. 2024년 11월에는 미국, 캐나다, 독일, 일본에 이어 세계 다섯 번째로 IBM의 127큐비트 초전도 양자컴퓨터가 연세대 송도 국제캠퍼스 양자컴퓨팅센터에 도입됐어요. 양자 R&D 투자액은 2019년 약 10억 6천만 원에서 2025년 약 1,980억 원으로 편성됐어요.

양자컴퓨터와 함께 알아 둘 개념에는 무엇이 있나요

• BQP: 양자컴퓨터가 효율적으로 푸는 문제군으로 기존 컴퓨터의 BPP에 대응해요.
• 쇼어 알고리즘: 소인수 분해를 효율적으로 푸는 양자 알고리즘이에요.
• 양자 얽힘과 중첩: 양자컴퓨터가 쓰는 핵심 현상이에요.
• 양자우월성: 양자컴퓨터가 특정 문제를 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 푼다는 개념이에요.
• 양자 연산의 네 요소: 정보를 저장할 안정적인 큐비트, 큐비트에 연산을 하는 양자 연산자(양자 게이트), 큐비트 정보를 읽는 측정자, 결어긋남과 연산 오류를 바로잡는 양자 오류 정정 회로가 필요해요. 중첩 상태는 외부 환경에 쉽게 바뀌고 오류가 연산 중에 쌓여서, 오류를 보호하려면 큐비트 하나의 중첩 상태를 유지하는 데에도 더 많은 큐비트가 필요해요.
• 아날로그 방식과 게이트 방식: 아날로그 방식의 양자 어닐러는 양자가 가장 안정한 에너지 상태를 찾아가는 현상을 이용해 교통 흐름 최적화나 최소 이동 거리 찾기 같은 최적화 문제에 알맞아요. 2011년 5월 캐나다 디웨이브 시스템이 상용화한 것이 대표적이에요. 게이트 방식은 유니버셜 게이트로 양자 회로를 만들어 연산하고 양자 컴퓨터의 최종 기술로 여겨지지만 오류에 약해요. IBM의 IBM Q가 대표적이에요.
• 양자컴퓨터의 시작: 1980년 미국 물리학자 폴 베니오프가 양자 컴퓨터의 개념을 처음 내놓았고, 1981년 MIT와 IBM이 함께 연 학술 회의에서 리처드 파인만이 양자 현상을 이용하는 컴퓨팅 이론을 발표했어요.
• 양자과학기술과 양자팹: 법은 양자과학기술을 양자암호, 양자통신, 양자센서, 양자소자, 양자컴퓨터, 양자시뮬레이터를 구현하는 과학과 기술 전체로 정의하고, 양자팹은 양자 산업 육성을 위한 장비와 공정을 지원하는 인력과 시설의 집합체로 정의해요. 정부는 5년마다 양자과학기술 및 양자산업 육성 종합계획을 세워야 해요.
• 양자 파운드리: 2026년 5월 21일 미국 상무부는 9개 양자컴퓨팅 기업에 총 20억 달러의 보조금을 주기로 했다고 밝혔어요. 이 가운데 IBM에 10억 달러가 책정돼 뉴욕 올버니에 순수 양자 파운드리 자회사 앤더론을 세우는 데 쓰이고, 글로벌파운드리스는 3억 7,500만 달러를 받는 대신 정부에 소수 지분을 넘기기로 했어요.

양자컴퓨터에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 양자컴퓨터는 모든 문제를 빨리 푼다: 기존 컴퓨터로 풀 수 없는 문제는 양자컴퓨터도 풀 수 없고, 튜링 기계가 양자컴퓨터를 시뮬레이션할 수 있어서 정지 문제는 풀 수 없어요.
• 양자컴퓨터는 NP-완전 문제를 다항 시간에 푼다: 확실히 증명된 바가 없고, 풀 수 없다는 견해가 일반적이에요.
• 양자컴퓨터는 이미 일반화됐다: 양자 컴퓨팅은 여전히 실험적인 초기 단계예요.
• 100큐비트가 넘으면 슈퍼컴퓨터를 항상 이긴다: 고전 알고리즘이 개선되면 슈퍼컴퓨터가 다시 앞서기도 해요.