양자 컴퓨터 뉴스를 이해하기 위한 최소한의 지식 (feat. 채은미 교수) [취미는 과학/ 25화 확장판]

간략한 요약

이 비디오는 양자 컴퓨터의 기본 원리, 현재 개발 상황, 그리고 미래에 미칠 영향에 대해 설명합니다. 최은미 교수와 함께 양자 중첩, 양자 얽힘과 같은 양자 역학적 개념을 소개하고, 큐비트 구현 방식과 다양한 양자 컴퓨터 개발 현황을 살펴봅니다.

• 양자 컴퓨터는 양자 중첩과 얽힘을 활용하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 연산 능력을 제공합니다.
• 큐비트 구현에는 초전도체, 원자, 분자 등 다양한 방법이 사용되며, 각 방법은 장단점을 가지고 있습니다.
• 양자 컴퓨터는 암호 해독, 최적화 문제 해결 등 다양한 분야에서 혁신을 가져올 수 있지만, 동시에 새로운 위협과 도전 과제도 제시합니다.

시작

과학 토크쇼 MC가 양자 컴퓨터에 대한 높은 관심과 젠슨 황의 부정적 발언에 대한 의문을 제기하며, 시청자들의 요청에 따라 양자 컴퓨터에 대해 자세히 알아보고자 합니다. 현재 컴퓨터도 충분히 빠르지만, 양자 컴퓨터에 대한 막대한 투자의 필요성에 대한 질문을 던지며, 양자 컴퓨터에 대한 기대감을 드러냅니다.

양자 컴퓨터를 만드는 물리학자

고려대학교 물리학과 최은미 교수가 양자 컴퓨터 하드웨어, 특히 퀀텀 프로세싱 유닛(QPU) 칩 개발 연구를 소개합니다. 최 교수는 직접 양자 컴퓨터를 사용하는 것이 아니라, 컴퓨터의 CPU에 해당하는 핵심 부품을 개발하는 연구를 하고 있다고 설명합니다.

양자 컴퓨터가 주목받는 이유?

양자 컴퓨터가 주목받게 된 계기 중 하나로 2019년 구글의 발표를 언급합니다. 구글은 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 계산을 양자 컴퓨터로 단 몇 분 만에 풀었다고 발표하여 큰 관심을 불러일으켰습니다. 하지만 이후 슈퍼컴퓨터 알고리즘 개발로 인해 해당 문제는 슈퍼컴퓨터로도 빠르게 풀 수 있게 되면서, 과학 발전은 자극과 경쟁을 통해 이루어진다는 점을 강조합니다.

양자 컴퓨터를 위한 양자역학 ①양자 중첩

양자 컴퓨터의 핵심인 양자 중첩과 양자 얽힘 개념을 소개합니다. 양자 중첩은 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 현상이며, 이는 기존 컴퓨터의 비트와는 다른 특징입니다. 동전 비유를 통해 양자 중첩 상태를 설명하며, 측정 시 0 또는 1의 값이 랜덤하게 나타나는 특성을 강조합니다.

[심화과정] 중첩 상태의 다양성

고전적인 비트는 앞면 또는 뒷면의 상태만 가지지만, 큐비트는 앞면과 뒷면의 중첩 상태를 포함하여 더 다양한 상태를 가질 수 있음을 설명합니다. 큐비트의 상태는 단순히 0과 1의 조합이 아닌, 복잡한 확률 분포로 표현될 수 있음을 시사합니다.

양자 중첩을 이용하면 뭐가 좋을까?

양자 중첩을 이용하면 여러 경우의 수를 동시에 계산할 수 있어 연산 속도가 빨라진다는 장점을 설명합니다. 큐비트 세 개를 사용하여 8가지 경우의 수를 동시에 처리할 수 있으며, 이는 고전 컴퓨터가 각 경우의 수를 하나씩 대입해야 하는 것과 대조됩니다. 양자 컴퓨터는 계산을 여러 번 반복하여 확률 분포를 통해 답을 얻으며, 측정 횟수를 늘릴수록 오류를 줄일 수 있습니다.

[미방분] 3개의 중첩을 사용한다면?

0과 1 두 가지 상태 외에 -1, 0, 1 세 가지 상태를 활용하는 양자 컴퓨팅 연구도 소개합니다. 이는 3의 거듭제곱으로 계산 속도를 더욱 빠르게 할 수 있지만, 기술적 구현이 복잡해지는 단점이 있습니다. 디지털 컴퓨터가 0과 1 형태를 사용하는 이유와 마찬가지로, 양자 컴퓨터도 쉬운 것을 많이 만드는 것이 유리하기 때문에 0과 1 두 가지 상태를 주로 사용합니다.

양자 컴퓨터를 위한 양자역학 ②양자 얽힘

양자 얽힘은 여러 큐비트가 서로 얽혀 있어 하나의 큐비트 상태가 다른 큐비트 상태에 즉각적으로 영향을 미치는 현상입니다. 동전 비유를 통해 양자 얽힘 상태를 설명하며, 아인슈타인이 "유령 같은 원거리 작용"이라며 싫어했던 현상임을 언급합니다. 2022년 노벨 물리학상은 양자 얽힘을 실험적으로 증명한 연구자들에게 수여되었습니다.

양자 얽힘을 이용하면 뭐가 좋을까?

양자 얽힘은 연산 횟수를 줄여줄 수 있다는 장점을 설명합니다. 5개의 큐비트를 모두 1로 바꾸는 과정을 예로 들어, 양자 얽힘을 이용하면 하나의 큐비트만 조작해도 나머지 큐비트들이 동시에 바뀌는 효과를 보여줍니다. 이는 고전 컴퓨터가 각 비트를 하나씩 조작해야 하는 것과 대조됩니다.

큐비트는 어떻게 만들까?

큐비트를 만들기 위한 기본 조건으로 0과 1의 존재, 양자 중첩 유지, 측정 가능성, 제어 가능성을 제시합니다. 대표적인 큐비트 구현 방식으로 초전도 큐비트를 소개하며, IBM과 구글이 이 방식을 사용하고 있음을 언급합니다. 초전도 큐비트는 칩 위에 회로를 그려서 만들지만, 극저온(-273도에 가까운 온도)에서 작동해야 하는 단점이 있습니다.

초전도 큐비트로 ‘양자 중첩’을 만드는 법

초전도 큐비트는 마이크로파(전기 신호)를 이용하여 제어하며, 특정 시간 동안 전기 신호를 주어 0에서 1로, 또는 1에서 0으로 상태를 바꿀 수 있습니다. 양자 중첩 상태는 0에서 1로 변하는 중간에 신호를 끊어 만들 수 있으며, 신호의 세기를 조절하여 0과 1의 확률을 조절할 수 있습니다.

초전도 큐비트로 ‘양자 얽힘’을 만드는 법

양자 얽힘은 두 개의 큐비트에 들어가는 신호를 제어하여 만들 수 있습니다. A 큐비트의 전류가 B 큐비트에 영향을 주도록 회로를 설계하여, A 큐비트가 0이면 B 큐비트에도 전류가 흐르게끔 만들 수 있습니다. 이는 신호를 쪼개어 두 큐비트가 서로 얽혀 있도록 만드는 방식입니다.

양자 컴퓨터의 미래가 불확실하다?!

양자 컴퓨터의 미래가 액체 헬륨 고갈 문제로 인해 불확실해질 수 있다는 점을 제기합니다. 헬륨은 양자 컴퓨터 냉각에 필수적이지만, 고갈 우려가 있는 원소입니다. 따라서 초전도체 외에 다른 방식으로 양자 컴퓨터를 만들 수 있는지에 대한 질문을 던집니다.

큐비트를 구현하는 다양한 방법

초전도 큐비트 외에 원자를 큐비트로 사용하는 시스템을 소개합니다. 원자 이온 컴퓨터와 중성 원자 양자 컴퓨터는 원자 하나를 큐비트로 사용하며, 원자의 에너지 상태를 이용하여 0과 1을 표현합니다. 원자를 냉각시키기 위해 레이저를 사용하며, 이는 계란으로 바위 치기 비유를 통해 설명됩니다.

큐비트 늘리기 경쟁, 현재 스코어는?

양자 컴퓨터 발전을 위해서는 큐비트 수를 늘리는 것이 중요하며, 현재 초전도 큐비트와 중성 원자 방식 모두 1,000 큐비트 이상을 달성했습니다. 원자 방식은 6,000개의 원자를 동시에 포획하는 데 성공했지만, 각 원자를 제어하는 것은 여전히 과제입니다. 현재 대부분의 시스템은 10,000개를 향해 달려가고 있습니다.

큐비트를 만드는 또 하나의 방법?

최은미 교수는 초전도체나 원자가 아닌 분자를 이용하여 양자 기술을 개발하는 연구를 하고 있다고 밝힙니다. 분자는 원자 두 개 이상으로 구성되어 있어 제어할 수 있는 버튼이 더 많다는 장점이 있지만, 실험적으로 더 어렵고 더 많은 레이저가 필요합니다.

큐비트를 만드는 또 다른 방법, 분자

분자를 이용한 양자 기술 개발은 실험적으로 어렵지만, 분자가 가진 제어 용이성이라는 장점을 활용할 수 있습니다. 분자는 원자보다 더 많은 제어 버튼을 가지고 있어 얽힘을 만들면서 다양한 조작이 가능합니다. 레이저 기술 발전으로 인해 분자 제어가 과거보다 쉬워졌으며, 태양광 발전 분야에서도 분자 활용이 증가하고 있습니다.

큐비트 무한경쟁 속 가장 유력한 승자는?

양자 컴퓨터 플랫폼 경쟁에서 아직 승자는 없으며, 각 플랫폼은 장단점을 가지고 있습니다. 분자 플랫폼은 후발주자이지만, 최 교수는 분자 플랫폼이 최종 승자가 될 것이라고 예측합니다.

큐비트 이외의 양자 컴퓨터 개발 현황은?

양자 컴퓨터 개발은 CPU뿐만 아니라 메모리, 기계어, 소프트웨어 등 모든 계층에서 진행되고 있습니다. 양자 컴퓨터가 기존 디지털 컴퓨터를 따라갈 필요는 없으며, 다양한 형태의 양자 컴퓨터가 등장할 수 있습니다.

양자 컴퓨터가 바꿀 미래 ①암호

양자 컴퓨터가 개발되면 쇼어 알고리즘을 통해 현재 사용되는 암호를 해독할 수 있다는 위험성을 제기합니다. 이는 개인 정보 유출 등 심각한 문제를 야기할 수 있지만, 동시에 양자 컴퓨터 알고리즘으로 깰 수 없는 새로운 암호 개발 노력도 진행되고 있습니다.

양자 컴퓨터가 바꿀 미래 ②최적화 문제

양자 컴퓨터는 최적화 문제 해결에 매우 유용하며, 건설, 물류, 금융 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있습니다. 시멘트 공장 위치 선정, 물류 센터 배치, 포트폴리오 구성 등 최적화 문제를 양자 컴퓨터로 해결하여 효율성을 높일 수 있습니다.

양자 컴퓨터 연구가 중요한 이유

양자 컴퓨터는 초기 단계이지만, 우주 전쟁에서 파생된 기술들이 현재 산업을 이끄는 것처럼 양자 기술도 미래에 큰 역할을 할 것이라고 전망합니다. 양자 컴퓨터 개발은 더 좋은 컴퓨터를 만드는 것뿐만 아니라 인간의 한계를 극복하고 산업 발전을 이끄는 데 기여할 것입니다.

[미방분] 암호 화폐도 해킹할 수 있다?!

양자 컴퓨터가 암호 화폐를 해킹할 가능성에 대해 논의합니다. 암호 화폐에 사용되는 암호는 소인수 분해와는 다른 더 어려운 암호 체계이지만, 양자 컴퓨터 알고리즘으로 풀 수 있는 가능성은 존재합니다. 현재 알고리즘으로는 어렵지만, 새로운 알고리즘 개발에 따라 암호 화폐 해킹 가능성이 높아질 수 있습니다.

다음 이야기

지구 멸망 위기에 대한 농담으로 마무리하며, 미래 기술 발전에 대한 기대감을 표현합니다.