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육아/교육 | ‘찰나의 마법’ 양자컴퓨터 시대가 온다

등록일 2019-12-03 10:18

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-“천문학적 데이터 처리, 그 어려운 걸 해냅니다”

지난 10월 23일 학술지 <네이처>에는 구글이 현존 가장 강력한 슈퍼컴퓨터(IBM ‘서밋’)에서 약 1만년이 걸리는 연산을 단 200초 만에 해결하는 양자컴퓨터 기술을 구현했다는 논문이 실렸다. 처음으로 ‘양자 우월성(Quantum Supremacy)’에 도달한 것이다. 

양자 우월성은 양자컴퓨터가 가장 강력한 슈퍼컴퓨터를 능가하는 지점을 일컫는다. 양자역학은 원자와 전자 등 미시세계에서만 일어나는 현상으로, 이를 컴퓨터에 적용하면 0과 1(비트)이 아니라 0과 1의 상태를 동시에 구현하는 큐비트(Qubit, Quantum bits)를 통해 기존디지털 컴퓨터에 비해 엄청난 속도로 연산을 처리하고 전송할 수 있다. 

양자 우월성에 도달했다는 논문이 발표된 직후, 암호체계가 뚫릴 것이라는 우려로 비트코인 등 블록체인 화폐의 가치가 한때 폭락하기도 했다. 하지만 양자컴퓨터가 실용화하기까지는 적지 않은 시간이 필요할 것이라는 주장이 나오며 급락세는 진정됐다.  

-이 기사는 <나침반 36.5도> 매거진 12월호 'Sci&Tech'에 4p분량으로 실린 내용의 일부입니다. 
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양자컴퓨터란 무엇인가? 
어느 큰 성(城)을 지키는 문지기가 있다고 치자. 문을 통과해 성 안으로 들어갈 사람과 그러지 못할 사람을 구분해내는 게 그의 역할이다. 그런데 이 문지기의 성격은 꽤 변덕스러워서 어떤 날은 성문 앞에 모인 사람 전부를 들여보내고 어떤 날은 그 중 절반만 통과시킨다. 

컴퓨터과학 애호가인 그는 카드에 숫자 ‘0’ 혹은 ‘1’을 써놓은 후 성으로 들어가고 싶어 하는 사람 수만큼 탁자 위에 엎어놓는다. 문지기의 신호가 떨어지면 사람들은 각자 한 장씩의 카드를 뒤집어본다. ‘0’이 쓰인 카드를 쥔 사람은 성 안으로 들어갈 수 없고 ‘1’이 쓰인 카드를 집어든 사람에겐 성문이 열린다. 

어느 날, 성 문 앞에 들어가고 싶어 하는 사람 여덟 명이 모였다. 여덟 장의 카드가 뒷면을 위로 향한 채 나란히 놓였다. 사람들은 각자 한 장씩의 카드에 손을 댄 채 문지기의 신호만 기다린다. 문지기가 모든 사람을 들여보내려고 마음먹었는지, 절반만 들여보내기로 했는지 알려면 얼마의 시간이 필요할까? 

한 번에 천문학적인 양의 데이터 읽어내 
이 질문은 양자컴퓨터(quantum computer)와 일반 컴퓨터 간 차이를 이해하기 쉽게 설명하기 위해 고안된 것이다. 일단 답부터 생각해보자. 카드를 어떻게 뒤집느냐에 따라 결론은 달라질 것이다. 

한 장씩 뒤집어 보면 많게는 다섯 장을 뒤집어야 문지기의 그날 계획을 알 수 있다. 여덟 장 중 절반인 네 장의 카드에 모두 1이 쓰여 있다고 해도 한 장을 더 열어봐야 확실한 답을 얻을수 있기 때문이다. 그러나 동시에 뒤집으면 어떤 경우든 즉시 답을 알 수 있다. 

이 경우 카드를 한 장씩 뒤집어 보는 건 일반 컴퓨터의 데이터 처리 방식에 비유할 수 있다. 반면, 모든 카드를 동시에 뒤집어 보는 게 바로 양자컴퓨터 방식이다. 이 차이는 데이터 값이 늘어날수록 커진다. 그리고 데이터의 양이 천문학적으로 많아져도 양자컴퓨터는 한순간에 그 구조를 파악하기 때문에 답을 ‘언제나 즉시’ 얻을 수 있다. 

양자컴퓨터 실용화되면 현행 암호 체계 무용지물 될 수도 
양자컴퓨터는 현재 널리 보급돼 있는 컴퓨터와는 그 성격이 근본적으로 달라서 특정 형태의 계산에만 엄청난 힘을 발휘할 수 있다. 다시 말해 양자컴퓨터가 일반 컴퓨터를 완전히 대체할 수 있는 건 아니다. 

하지만 그 제한적 차별성만으로도 세상을 뒤집어놓기에 충분하다. 한 가지 예를 들면, 양자컴퓨터가 실용화 단계에 이르렀을 경우, 일단 지금까지 컴퓨터 온라인을 통해 해왔던 모든 활동에 걸린 암호 체계를 전부 바꿔야 한다. 

오늘날 온라인 쇼핑과 은행 거래 등 금전(이나 기타이해)관계나 프라이버시가 걸려 있는 활동엔 반드시 암호가 필요하다. 암호를 만드는 법은 복잡하고 다양하다. 하지만 그 아래엔 공통적으로 인수분해의 원리가 숨어있다. 

예를 들어 ‘1357×2468은?’이란 질문에 대해 즉시 답할 수 있는 사람은 많지않겠지만 일반 컴퓨터는 순식간에 ‘3,349,076’이란 답을 내놓는다. 하지만 ‘3,349,076’이라는 숫자를 제시한 후 이게 어떤 네 자리 수와 어떤 네 자리 수를 곱한 값이냐고 묻는다면 얘긴 전혀 달라진다. 

빠른 계산 가능한 양자컴퓨터 

일반 컴퓨터는 1000에서 9999까지 모든 숫자 중 두 개의 조합을 꼼꼼히 곱해보며 ‘3,349,076’이란 답을 도출해낸다. 앞선 예시에서 문지기가 나눠준 카드를 하나하나 뒤집어보는 것과 동일한 방식이다. 컴퓨터 성능에 따라 달라지겠지만 짧게는 몇 시간, 길게는 며칠까지 걸리는 작업이다. 이 시간은 숫자의 자릿수가 높아질수록 기하급수적으로 늘어난다. 

이제까지 해본 실험 중 가장 자릿수가 많았던 129자리 숫자를 인수분해 하는 데엔 1,600명의 인터넷 사용자가 달려들어도 꼬박 8개월이 걸렸다. 인수분해가 암호에 쓰이는 건 이런 성격을 갖고 있기 때문이다. 암호를 만든 사람은 쉽게 만들고 답도 알고 있지만, 만들지 않은 사람이 그것을 풀려면 엄청난 시간과 에너지를 들여도 쉽게 답을 구할 수 없도록 할 수 있는 것이다. 

미시적 물리세계, 인간이 보는 세계와 달라 
양자컴퓨터의 능력을 온전히 이해하려면 양자컴퓨터의 기본 패러다임인 양자역학 원리부터 이해해야 한다. ‘양자(quantum)’의 사전적 정의는 ‘에너지나 물질 등 물리적 속성을 갖고 있는, 가능한 한 가장 작은 단위’다. 양자에는 원자를 구성하는 부분 중 하나인 ‘전자’ 따위도 포함된다. 

미시적 물리세계의 운동 주체인 양자는 주변의 다른 힘과 끊임없이 상호작용하며 변해간다. 또한 양자와 양자 사이에 경계가 있어도 그대로 통과해 넘어가버린다. 모두 양자의 에너지량이 너무 적어 생기는 현상이다. 

지금 당신 앞에 놓인 컴퓨터나 컵 같은 물체는 양자 수준의 에너지 주체에 비하면 엄청나게 많은 양의 에너지가 응축, 발현된 존재다. 웬만큼 센 힘이 아니면 움직이지 않기 때문에 지금과 같은 일정한 모습과 상태를 유지할 수 있다. 반면, 양자는 현존하는 세계 속에 작용하는 힘에 비해 지극히 적은 양의 에너지이므로 그 힘들이 움직일 때마다 끊임없이 반응하며 변화할 수밖에 없다. 

이처럼 양자에 작용하는 외부 에너지 중 하나가 인간의 의식이고 시선이다. 앞서 말한 것처럼 모든 운동의 가능성을 내포한 슈퍼포지션이었던 양자는 인간이 그걸 관측하려고 시선을 보내거나, 아니면 단순히 그런 의도를 품는 순간 고정돼 한 가지 포지션만 보여준다. 보는 입장에 따라 그 포지션은 달리 보인다. 

요컨대 양자역학에선 어떤 값이든 확실하게 고정돼 주어지지 않는다. 정보통신기술(ICT)의 발달로 데이터의 양은 점점 더 많아지는 반면, 관련 기기 크기는 줄어드는 추세다. 이 같은 변화가 가능한 건 (나노 수준의) 미세한 트랜지스터 활용 기술의 발달 덕분이다. 

그런데 이처럼 소재들이 계속 소형화되면 어느 지점에서 이들은 양자역학의 법칙에 따라 움직일 것이다. 그 변화무쌍한 움직임을 통제하려는 노력 자체가 양자컴퓨터를 개발하는 노력과 맞물리는 것이다. 

■ <나침반 36.5도> 12월호 해당 페이지 안내 

*사진 설명: 양자컴퓨터 대부분의 부품들은 전도율이 높은 순금으로 제작돼, 층층 구조로 공중에 매달려 있다. 이런 모습 때문에 실제 엔지니어들은 양자컴퓨터를 보고 농담 삼아 ‘샹들리에’라고 부르기도 한다. [사진 출처=theverge.com] 
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에듀진 기사 원문: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=32032

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