양자 컴퓨터란 도대체 무엇일까?

 

 

목차

1. 양자 컴퓨터란?

2. 양자 컴퓨터의 속도

3. 초전도체와 양자컴퓨터

4. 양자컴퓨터와 비트코인

 

양자컴퓨터란?

 

양자 컴퓨터(quantum computer) 란 
얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 자료를 처리하는 계산 기계

 

 

구글의 양자컴퓨터- 시커모어 (출처: 구글)

 

양자컴퓨터를 이해하려면 먼저, 가장 중요한 특성인 중첩과 얽힘에 대해, 이해하기는 어려워도 이런 게 있다는 정도는 알아야 합니다.   이 특성 때문에  암호 해독, 최적화 문제, 신약개발 등 다양한 분야에서 가장 막강한 슈퍼컴퓨터의 능력을 훨씬 능가할 수 있기 때문입니다.

 

중첩

양자 컴퓨터는 지금 우리가 쓰는 일반 컴퓨터와는 완전히 다른 방식으로 작동합니다.

일반 컴퓨터는 정보를 "0" 아니면 "1"이라는 숫자로 표현합니다. 이건 마치 전구처럼 켜지면 1, 꺼지면 0인 상태를 가지는 것입니다.

그런데 양자 컴퓨터는 이 "0"과 "1"을 동시에 가질 수 있는 특성을 사용합니다. 이걸 양자 중첩이라고 부릅니다.  전구가 켜져 있으면서도 동시에 꺼져 있는 신기한 상황이 있다면, 그게 바로 양자 중첩입니다.

 

얽힘

또 다른 중요한 개념은 양자 얽힘입니다.

이건 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 서로 연결돼서, 한쪽을 바꾸면 다른 쪽도 즉시 바뀌는 현상입니다.

예를 들어, 두 개의 쌍둥이 마법 구슬이 있는데, 하나를 빨간색으로 바꾸면 다른 하나도 멀리 떨어져 있어도 바로 빨간색으로 바뀌는 거예요. 양자 컴퓨터는 이런 신기한 물리학의 원리를 이용해서 복잡한 계산을 아주 빠르게 합니다.

 

 

 

양자컴퓨터의 속도

 

구글은 새 양자 컴퓨터 프로세서 '윌로우'를  개발했다고 밝혔는데, 이는 현존하는 최고 성능의 슈퍼 컴퓨터로 10의 25 제곱 년이 걸리는 복잡한 문제를 불과 5분 만에 풀 수 있다고 합니다.

이 때문에 암호화폐 보안이 깨질 우려가 제기되면서 비트코인 가격이 떨어지기도 했습니다.

 

이 부분은 몇 년 전에 발표한 내용보다 속도가 더 빨라지기는 했지만, 그렇게 충격적으로 빨라진 것은 아닙니다. 10의 25 제곱 년이라는 현실적이지 않은 기간 때문에 별로 와닿지도 않습니다.  "10억 년을 5분 만에"에서 "10자 년을 5분 만에"로 바뀐 것이니까요.

 

그보다 윌로우의 가장 큰 성과는 양자컴퓨터의 오류 문제를 실질적으로 해결할 수 있는 가능성을 제시한 것 때문입니다.

 

양자컴퓨터는 외부환경에 극히 민감하기 때문에 미세한 온도, 열, 자기장의 변화, 우주에서 쏟아지는 우주선 등에 의해 쉽게 중첩과 얽힘 같은 양자 상태가 깨져 연산에 오류가 생기게 됩니다.

양자컴퓨터가 기괴하게 크게 생긴  것도 절대 0도에 가까운 극저온 냉각장치와 진공에 가까운 환경을 조성해야 하기 때문입니다.

 

이러한 오류를 해결하기 위해 같은 양자 정보를 여러 개의 큐비트에 담아 논리 큐비트를 만듭니다.  하나가 오류를 일으켜도 나머지를 보고 올바른 값을 찾기 위해서인데, 이렇게 사용하려면 많은 큐비트가 필요한 것입니다.

구글은 큐비트 숫자를 늘려도 오류는 임계값 이하로 발생하도록, 오히려 연산 실패가 지수적으로 감소하게 하는 데 성공했습니다.

 

어려우신가요?

저도 무슨 말인지 이해는 할 수 없습니다.

'과학 커뮤니케이터'를 자청하는 저자이자 유튜브에 많이 출연해서 쉽게 과학을 풀어주는 궤도는  책을 읽는 것에 비유했습니다.

일반 컴퓨터가 책을 한 장 한 장 읽는 것에 비해 양자컴퓨터는 책의 모든 페이지를 한꺼번에 펼쳐서 읽는 것과 같다고 했습니다.

저는 일반 컴퓨터가 0과 1의 신호로 데이터를 처리하는 것은 동전 던지기와 같다고 생각하고,  양자 컴퓨터는 일종의 많은 면을 가진 주사와 게임과 같다고 생각했습니다. 큐비트를 많은 면을 가진 주사위라고 생각하면 좀 더 이해하기 쉽지 않을까요?

 

알릴바바에서 판매하는 액체코어 주사위

 

 

 

 

 

 

관련 기술

 

 

초전도체와 양자컴퓨터

이 양자컴퓨터는 초전도체 기술과 연결이 됩니다.

얼마 전 LK-99라는 상온 상압 초전도체 물질에 대한 연구 결과를 국내 연구진이 발표하여 전 세계 과학계가 떠들썩한 적이 있습니다. 초전도성 즉 저항이 0이 되기 위해서는 극 저온이 필요한데, 상온에서 저항이 0이 되는 초전도성 물질이 있다면,  양자컴퓨터뿐 아니라 송전케이블, 자기부상열차, 자기공명영상장치 등 어머어마한 파괴력이 있을 수 있습니다. 

양자컴퓨터에 국한시킨다면, 초전도 현상이 일어난 물질의 전자가 양자중첩 상태인 것을 이용하여 초전도 현상이 일어난 회로에 전자기파를 쏘아 전류의 양자중첩을 이용하여 양자비트를 구현한다고 합니다.

 

양자컴퓨터와 비트코인

양자컴퓨터는 기존의 컴퓨터보다 높은 성능과 병렬 처리 능력 덕분에 다양한 분야에서 혁신적인 결과를 가져올 것으로 기대하고 있습니다. “암호화, 인공지능, 화학, 최적화 문제, 금융, 재료과학, 기상예측, 기후 모델링” 등과 같은 분야에서 양자컴퓨터의 잠재력이 크게 발휘될 것으로 전문가들은 예상하고 있습니다. 이 중에서 최적화 문제 분야의 능력은 건설산업에 적용하였을 때 “개발기획, 설계 및 엔지니어링, 비용 예측, 에너지 사용, 조달 및 시공 프로세스” 등에서 혁신적인 결과를 만들어낼 수 있을 것으로 예상됩니다.

저는 그보다는 암호체계에 관심이 많습니다. 양자 컴퓨터는 고전적인 암호체계를 무력화하는데 강력한 도구가 될 수 있습니다.

특히 RSA, ECC, DH와 같은 공개키 기반 암호화 방식은 양자 컴퓨터의 알고리즘에 취약할 수 있습니다. 이러한 취약점을 활용하는 것이 바로 Shor 알고리즘입니다. Shor 알고리즘은 큰 소수의 곱을 빠르게 분해하는 능력을 갖추고 있어, RSA와 같은 공개키 암호 방식을 공격하는 데 매우 효과적입니다. 양자 컴퓨터는 Shor 알고리즘을 사용해서 지금의 최고급 GPU로 어떤 암호를 푸는 데 1만 년이 걸린다면, 양자 컴퓨터는 몇 시간, 심지어 몇 분 안에 끝낼 수 있습니다.

암호체계가 붕괴되는 것이지요.

 

블록체인은 어떨까요? 블록체인 시스템은 주로 해시함수를 이용하여 보안을 유지합니다.  블록체인에서 사용하는 해시방식은 SHA-256 이므로 이를 위해 Grover 알고리즘이나 브루트포스 공격이 필요할 것이고, 이 역시 양자컴퓨터를 사용하면 빠른 크랙이 가능해집니다.

블록체인은 평균 10분마다 채굴이 되도록 난이도를 조절합니다. 만약  일부 조직에서만 양자컴퓨터를 사용하여 채굴한다면, 아무도 상대가 될 수 없습니다. 블록체인 시스템 역시 붕괴되지 않을까 생각됩니다. 이 때문에 구글의 양자칩 발표 시 비트코인이 일시적으로 급락하기도 했습니다.

 

 

양자 암호화

 

출처 광케이블 해킹원리 - KTNT

 

광케이블을 살짝 구부려서 저가의 장비로 도청이 가능합니다.  암호화되어있어도, 양자컴퓨터로 크랙이 가능하다면, 큰 문제가 될 수 있습니다.  그래서 통신사 들은 양자 암호화를 구현하고 있습니다. 통신장비에 양자암호화를 구현해서 신호를 보내면, 양자 얽힘 현상 때문에 안전하게 키를 분배할 수 있습니다.  양자 얽힘 이란 둘 이상의 입자가 공간적으로 떨어져 있다 하여도 상호작용하기 때문에 한쪽의 상태가 결정되면 반대쪽의 상태도 바뀌게 되는 것을 의미합니다

물론 현재로서는 고가입니다.

 

 

엔비디아 GPU

양자컴퓨터는 엔비디아의 GPU를 대체할 수 있는가?

엔비디아의 젠슨 황은 양자컴퓨터 상용화 관련해서  "양자컴퓨팅 기술은 현재 많은 가능성을 가지고 있지만, 유용한 기술이 나오려면 실질적으로 약 20년의 시간이 필요하다"라고 하는 바람에 양자컴퓨터 주식이 폭락했습니다. 

저는 젠승 황이 위기감에 한 말이라고 생각합니다. GPU 보다 비교 안되게 암호 크랙, 채굴에 빠르게 작동하기 때문입니다.

다만, AI 분야나 일반적 연산에서는 GPU가 더 효율적이기 때문에 - 양자컴퓨터는 특정 문제에 대해서만 강력함 - 대체하기는 어렵고 보완재가 될 가능성이 큽니다.

GPU가 아무리 빠르고 강력하더라도, CPU는 계속 존재할 수밖에 없는 것과 같습니다.

다만 양자컴퓨터가 초기 단계이므로 어떻게 발전하게 될지는 아무도 모릅니다.

 

 

정리 - 양자 컴퓨터가 열어갈 미래

 

양자 컴퓨터는 아직 초기 단계로, 상용화까지는 최소 5년~10년이 걸릴 것으로 예상됩니다.

안정적인 큐비트 확보와 냉각 시스템 등 기술적 과제를 해결해야 합니다.

상용화되면 암호 해독, 신약 개발, 물류 최적화, 기후 예측 등에서 혁신을 이룰 것입니다.

양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터를 대체하기보다 협력하며 특정 분야에서 강력한 도구로 자리 잡을 것입니다.