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by 소토리 Mar 14. 2024

AI 다음은 양자? 양자 컴퓨터가 뭐길래

"AI 다음은 양자 컴퓨터"라는 주장은 미래에 양자 컴퓨터가 인공 지능 기술의 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 기대되기 때문에 등장합니다. 양자 컴퓨터로 갈 길은 아직 멉니다. 하지만 chat gpt의 등장 전 인공지능이 아직 먼 미래라고 생각했던 때가 있는 것처럼, 우리를 놀라게 할 양자 컴퓨터가 언젠가 등장할 것이라는 것은 분명합니다.

양자 컴퓨터란?

양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터에서 처리하기에 너무 복잡한 문제를 양자역학의 법칙으로 해결하는 기술입니다. 양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터보다 계산의 정밀도가 높다는 장점이 있습니다.

양자컴퓨터의 최대 강점은 빠른 정보 처리 속도입니다. 기존 디지털 컴퓨터를 압도합니다. IBM에 따르면 현존 최고 성능의 슈퍼컴퓨터가 10억 년이 걸리는 문제를 양자컴퓨터는 100초 만에 풀 수 있다고 합니다. ‘양자’의 영문이 ‘퀀텀(quantum)’인데, 획기적인 진보를 흔히 ‘퀀텀 점프’로 표현하는 이유가 여기에 있습니다.

양자의 정보 처리 속도가 디지털보다 비교할 수 없을 정도로 빠른 이유는 정보 처리 방식의 차이에 있습니다. 디지털은 정보를 ‘0’과 ‘1’로 나눠 ‘비트’라는 단위로 처리합니다. 하지만 양자는 ‘0’과 ‘1’이 ‘큐비트’라는 단위로 함께 처리가 가능합니다. '중첩과 얽힘' 이라는 양자적 특성 때문에 가능합니다. 엄청나게 많은 경우의 수 조합을 한꺼번에 계산할 수 있다고 합니다.

양자컴퓨터의 이런 특성은 신약 개발에 안성맞춤입니다. 신약 개발은 질환과 관련된 유전자, 단백질을 찾아내 이를 없애거나 활성화시킬 수 있는 최적의 물질을 찾는 과정입니다. 이를 위해서는 표적에 정확하게 들어맞는 최적의 구조를 가진 화합물을 찾는 게 핵심입니다. 하지만 수만 가지 화합물 조합을 일일이 실험해보는 건 불가능합니다.

여기에 양자컴퓨터의 빠른 정보 처리 능력이 활용될 수 있습니다. 최적의 화합물 구조를 찾는 데 실패했다고 하더라도 또 다른 구조를 찾는 데 걸리는 시간과 비용이 획기적으로 줄어드는 것이죠. 신약 개발 기간 단축은 글로벌 제약사들이 가장 원하는 목표입니다. 신약 개발 업계에서 시간은 곧 돈이기 때문입니다.

비트와 큐비트란?

기존 컴퓨터는 정보를 일련의 비트 단위로 저장합니다. 비트는 가능한 가장 작은 정보 단위로, 그 값은 0 또는 1입니다.

양자 컴퓨터는 비트가 아닌 큐비트 단위로 정보를 저장합니다. 큐비트의 값은 0, 1 또는 두 상태의 혼합일 수 있습니다(이러한 혼합에 대한 기술 용어는 "중첩"임). 실제로 큐비트의 값은 항상 0 또는 1로 알려진 클래식 비트와는 달리 불확실합니다. 큐비트의 값은 누군가 관찰할 때까지 불확실한 상태로 남아있습니다.

그 결과로, 양자 컴퓨터는 한 번에 여러 상태 또는 버전의 정보를 저장할 수 있습니다. 따라서 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빠른 속도로 계산에 대한 솔루션을 처리할 수 있습니다. 여러 사람이 동시에 여러 작업을 하는 팀이 한 사람이 모든 작업을 하는 것보다 프로젝트를 더 빨리 완료하는 것과 같습니다.

정보 세그먼트를 지구본이라고 상상해 보세요. 비트는 지구의 북극이나 남극에 위치할 수 있습니다. 큐비트는 지구 표면의 어느 곳에나 있을 수 있으므로 큐비트에 담을 수 있는 정보의 양이 크게 늘어납니다.

물론 기계적인 수준에서 비트와 큐비트는 실제 지구본이 아닙니다. 비트는 전하를 보유(1)하거나 전하를 보유하지 않는(0) 컴퓨터의 작은 부분입니다. 큐비트란 원자 내에서 전자의 불확실하고 불안정한 위치를 말합니다.

양자 컴퓨터의 어려움

현재까지 양자 컴퓨터는 극소수가 제작되었습니다. 구축된 컴퓨터는 작고 불안정하며 실험실 조건이 아니면 사용할 수 없습니다.
이는 양자 컴퓨팅이 다음과 같은 몇 가지 주요 과제에 직면해 있기 때문입니다.

외부 환경으로부터의 간섭

큐비트는 깨지기 쉽습니다. 소음, 진동, 온도 변화, 전자파는 모두 큐비트의 내부 상태를 억제하거나 파괴할 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 제대로 작동하려면 이러한 간섭과 기타 유형의 간섭이 없는 고도로 통제된 환경에 있어야 합니다. 이러한 환경은 실험실 외부에서 구축하고 유지 관리하기가 어렵습니다.

예를 들어 고온이나 강한 자력으로 인해 컴퓨터가 느려지거나 파손될 수 있는 등 환경적 요인은 기존 컴퓨터에도 영향을 미칩니다. 그러나 양자 컴퓨터의 경우 문제가 훨씬 더 심각해서 실제 환경에서 작동할 수 있을지 불확실할 정도입니다.

(데스크톱 컴퓨터의 팬이 고온에 대응하는 데 도움이 되는 것처럼 결국에는 간섭에 대응하는 것이 가능할 수도 있습니다.)

오류 수정

양자 컴퓨터는 일반적으로 기존 컴퓨터보다 안정성이 떨어집니다. 따라서 오류가 발생하기 쉽습니다. 모든 컴퓨터는 오류가 생기기 때문에 기존 컴퓨터에는 오류 수정 전용 메모리와 프로세서가 내장되어 있습니다. 하지만 양자 컴퓨터는 처리 능력에 비해 오류 수정에 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 리소스를 투입해야 합니다.

온도

큐비트를 안정적으로 유지하려면 양자 컴퓨터는 절대 영도보다 몇 도 높은 극히 낮은 온도를 유지해야 합니다. 다시 말하지만, 이 때문에 고도로 통제된 실험실 환경이 아닌 곳에서는 작동하기가 어렵습니다.

양자 컴퓨팅은 세상에 어떤 영향을 미칠까요?

대규모 양자 컴퓨터의 대량 생산이 가능한지 여부는 물론이고, 대규모 양자 컴퓨터가 실현 가능한지 여부도 아직 불분명하므로 양자 컴퓨팅의 전체적인 영향력을 판단하기는 어렵습니다. 대부분의 사회에서 초소형 컴퓨터는 생활의 거의 모든 측면에서 사용되고 있으며, 많은 사람들이 호주머니에 슈퍼컴퓨터에 해당하는 기기를 가지고 다니고 있습니다(스마트폰처럼).

강력하고 안정적인 양자 컴퓨터는 사회에 긍정적 영향을 크게 미칠 수 있습니다. 그러나 이러한 컴퓨터는 개인 정보 보호 및 보안을 새로운 방식으로 위험에 빠뜨릴 수 있다는 점도 분명합니다.

잠재적인 긍정적 효과

양자 컴퓨터의 응용 분야는 아주 다양합니다. 더 강력한 컴퓨터가 있다면 금융 업계에서는 주식 시장을 더 정확하게 분석하고 예측할 수 있을 것입니다. 기후학자는 날씨 패턴을 더 정확하게 분석하고 예측할 수 있을 것입니다. 양자 컴퓨터가 교통 패턴을 더 잘 예측할 수 있다면 교통 시스템이 더 효율적이 될 수 있습니다.

이 모든 결과는 아직 이론상의 결과입니다. 또한 안정성이 뛰어난 대규모 양자 컴퓨터를 구축할 수 있다고 해도 처리 결과는 입력되는 데이터만큼만 정확할 것입니다. 그럼에도 불구하고 양자 컴퓨팅은 이러한 분야 또는 유사한 분야에 긍정적 영향을 크게 미칠 수 있습니다.

현재 암호화 방식을 깨트릴 수 있습니다

오늘날 중요한 정보는 암호화를 통해 보호되는 경우가 많습니다. 암호화는 키를 사용하여 메시지를 인코딩하는 과정으로, 키를 가진 사람 외에는 누구도 메시지를 읽을 수 없습니다. 암호화를 이용하여 사용자가 웹 사이트에 입력하는 개인 데이터(TLS를 통해), 하드 디스크와 서버에 저장된 비즈니스 데이터, 정부 기밀 데이터 등 중요한 정보가 보호됩니다.

많은 유형의 암호화는 데이터를 보호하기 위해 소인수분해와 같은 어려운 수학 문제에 의존합니다. 이러한 문제의 난이도가 높기 때문에 가능한 시간 내에 암호화를 해독할 수 없습니다. 암호화를 해독하는 잘 알려진 알고리즘이 존재하지만, 더 큰 암호화 키를 사용할 수 있으므로 키를 찾아 암호화를 해독하는 데 기하급수적으로 더 많은 시간이 소요됩니다(기존 컴퓨터의 경우).

그러나 양자 컴퓨터는 이론상으로 현재 배포된 암호화 방법에서 사용되는 어려운 문제를 풀 수 있습니다. 이 시나리오에서는 키 크기를 늘린다고 해서 문제의 난이도가 기하급수적으로 높아지는 것은 아닙니다. 따라서 암호화를 해독하는 데 걸리는 시간이 훨씬 단축될 수 있습니다. 이렇게 되면 양자 컴퓨터가 대부분의 최신 암호화 방식을 깨트려(보호를 손상시켜) 암호화된 데이터가 노출될 위험에 처할 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 최신 동향 (feat. IBM)

IBM은 2023년 초, 양자 컴퓨터가 무차별 대입 시뮬레이션의 범위를 넘어서는 회로를 실행할 수 있음을 증명했습니다.(IBM과 UC 버클리의 논문 참조) 처음으로 100 큐비트와 3,000 게이트의 규모로 아직 선행적인 해답이 없는 양자 회로를 실행할 수 있는 하드웨어와 소프트웨어를 갖추게 되었습니다. 이제 양자 컴퓨팅은 하나의 계산 도구가 되었고, 양자 컴퓨팅 그 자체를 넘어 다양한 분야의 과학을 발전시킬 수 있게 되었습니다.

IBM은 circuit knitting과 같은 도구를 통해 양자 계산의 범위를 향상시킬 수 있고, 잠재적으로 병렬 및 동시 클래식 연산을 통해 여러 양자 회로를 활용하는 새로운 양자 알고리즘이 등장하고 있다고 말합니다.

확장 가능한 병렬 회로 실행과 고급 클래식 연산으로 구성된 이종 컴퓨팅 아키텍처(heterogeneous computing architecture)가 필요하다는 것은 분명합니다.

이종 컴퓨팅 아키텍처란, 여러 종류의 프로세서 또는 계산 리소스를 결합하여 하나의 시스템에서 작업을 수행하는 아키텍처를 가리킵니다. 이것은 CPU, GPU, FPGA 등과 같은 서로 다른 유형의 프로세서를 포함할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 기술이 발전하고 성숙해질 때까지 기존의 컴퓨팅 리소스와 양자 컴퓨팅을 통합하여 다양한 문제를 효율적으로 해결할 수 있습니다.

향후 10년간 IBM의 양자 중심 슈퍼컴퓨팅 로드맵은 다음과 같습니다: