양자컴퓨터의 미래

 

* 이 글은 <양자컴퓨터의 미래>를 읽고 쓴 글입니다.

 

IBM Quantum System One

 

바야흐로 인공지능의 시대이다. 국가와 기업들이 전투적으로 인공지능에 대해 기대감을 갖고 투자를 하고 있다. 하지만 인공지능 말고도 미래 기술로서 인공지능에 필적할만한 것이 있으니, 그것은 바로 양자컴퓨터이다. 무한대의 컴퓨팅 능력이 있다면 우리는 무엇을 할 것인가. 무한대로 문제 해결력이 생긴다면 어떤 일이 펼쳐질 것인가. 양자컴퓨터는 기존의 문제를 더 빨리 해결하는 것뿐만이 아니라 그동안에 못 풀었던 문제를 풀 수 있게 만드는 마법의 열쇠가 될 것이다.

 

큐비트를 사용하는 양자컴퓨터

 

어떤 문제를 풀 수 있느냐에 앞서, 양자컴퓨터의 개념과 대해 살펴보자. 양자컴퓨터는 무어의 법칙을 넘어서 원자 단위로 이루어지는 큐비트를 이용한다. 기존의 디지털 컴퓨터는 1비트가 0과 1, 두 가지로만 구성이 되어있으나 큐비트는 0과 1이 중첩되어 있어 여러 개의 가능한 상태가 동시에 있다. 또한 양자적으로 얽힌 큐비트들은 서로 영향을 주고 상태를 즉각적으로 전달한다. 그래서 상호작용이 큐비트의 개수당 거의 두 배씩 기하급수적으로 일어나 디지털 컴퓨터와 비교할 수도 없이 빠르다. 구글의 양자컴퓨터 시카모어는 53개의 큐비트로 이루어져 기존 슈퍼컴퓨터로 1만 년에 걸릴 연산을 불과 200초 만에 달성한다고 한다. (기존 디지털 컴퓨터가 주판 수준밖에 안 될 정도;)

 

그러한 양자컴퓨터는 어떤 기능을 더 잘 수행할 수 있을까. 먼저 검색을 쉽게 할 수 있다. 워낙 연산속도가 빠르다보니 건초더미에서 바늘을 찾을 수 있을 정도이다. 입자가속기에서의 초당 1TB의 데이터들을 분석할 수 있을 것이고, 지금은 보이지 않는 외계생명체의 신호를 발견할 수 있을지도 모른다.

 

핵융합 발전에서 쓰이는 도넛모양 토카막

 

두 번째로 문제 해결에 있어서 최적화된 결과를 알아낼 수 있을 것이다. 자동차 회사 메르세데스-벤츠는 양자컴퓨터 개발에 투자를 하며 연료의 효율을 높이거나 양자컴퓨터를 통한 가상풍동 실험을 통해 공기역학적 성능을 향상하고자 한다. 또한 핵융합 발전의 연구과정에서 Q값(발전되는 에너지양)을 높이기 위해 도넛모양의 토카막에 쓰이는 자기장이 일정한 값으로 유지될 수 있도록 가상 핵융합로를 양자컴퓨터에서 실현시킬 수 있을 것이다.

 

분자 단위의 시뮬레이션을 하면 어떨까

 

세 번째로 분자 단위의 시뮬레이션을 할 수가 있다. 이를 통해 여러 가지 화학 실험을 할 수가 있을텐데 예를 들면 인공잎을 만들기 위한 광합성의 과정 분석이 가능해질 것이다. 또, 지금까지 신약개발이 유용해보이는 약물을 테스트하고 약물 작용 원리를 더듬어 파악하였다면 이제는 양자컴퓨터의 분자 단위 시뮬레이션을 통해 약물의 작용 원리부터 파악을 할 수 있어 연구개발 비용이 줄어들 것이다. 이뿐만 아니라 암 치료, 불치병, 난치병 치료를 연구하기 위하여 양자컴퓨터는 빠른 연산 속도로 분석하고 시뮬레이션을 함으로써 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

위와 같이 양자컴퓨터의 검색능력, 최적화 문제 해결력, 분자 수준 시뮬레이션 수행력들은 기존의 디지털 컴퓨터의 연산 능력으로는 어마무시한 시간이 걸릴 일들이다. 양자컴퓨터는 그동안 인류가 풀지 못한 문제들을 하나하나 해결해나갈 수가 있다. (저자는 생명의 기원과 우주의 비밀도 알아낼 수 있을 것이라고 한다)

 

인공지능과 결합되면 어마무시할듯

 

마지막으로 양자컴퓨터는 지금 앞서서 나가는 인공지능과 결합을 하면 무시못할 큰 영향력을 행사하는 기술이 될 것이다. 인공지능은 모든 것을 먼저 다 가르친다는 하향식 방식과 시행착오를 통해서 배우는 딥러닝과 같은 상향식 방식이 있다. 하향식 방식과 상향식 방식이 만나는 지점에 양자컴퓨터가 빠른 연산 속도로 인공지능의 신경망 속에 있는 수많은 데이터들을 처리할 수 있게 된다면 인공지능은 날개를 달게 될 것이다.

 

열심히 경쟁하고 있다 (출처: ResearchGate)

 

그러나 아직 양자컴퓨터는 이제 시작이다. IBM, 구글, 인텔, 마이크로소프트사 등 양자컴퓨터에서 사용하는 큐비트의 숫자를 늘리기 위해 서로 경쟁하고 있다. 전자들의 결맞은 상태가 되도록 하기 위해 극저온(0K)까지 낮추는 초전도 양자컴퓨터부터 레이저 빔으로 광자를 이용하는 광양자컴퓨터, 이온 트랩 양자컴퓨터 등 여러 기술들이 있고 그 기술은 날로 발전하고 있으며, 상용화가 될 양자컴퓨터가 만들어지는 것은 시간문제이다.

 

 

저자 미치오 카쿠는 물리학자이기도 하지만 미래학자이기도 하다. 그는 미래의 기술이 여러 사회 문제들을 해결해 나갈 수 있다는 긍정적인 태도를 갖고 있다. SF 작가 아서 C. 클라크가 충분히 발달한 과학 기술은 마법과 구별할 수 없다고 하지 않았던가. 1940년대 집채만한 컴퓨터 에니악을 본 사람들이 손으로 들고 다니는 스마트폰을 상상할 수 없듯이, 양자컴퓨터의 기술은 어느 방향으로 어떻게 흘러갈지는 모른다. 미치오 카쿠의 양자컴퓨터에 대한 긍정적인 생각대로 이 기술이 사회에 긍정적인 영향을 끼치게 되기를 기대한다.