양자컴퓨터 장단점 (원리, 효율성, 한계점)

 

인공지능 반도체 칩 설계회사 엔비디아의 최고경영자 젠슨 황이 '유용한 양자 컴퓨터가 나오려면 20년은 걸릴 것'이라는 보도가 나오면서 미국 뉴욕 증시에서 아이온큐가 39% 하락하는 등 양자컴퓨팅 관련주가 폭락했다고 합니다.  양자컴퓨터의 상용화를 두고 증시가 오르락내리락할 정도로 증시 파급력이 큽니다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 다른 원리로 작동하며, 놀라운 속도와 효율성을 제공하는 기술입니다. 하지만, 이를 실제로 활용하기 위해서는 극복해야 할 여러 한계점도 존재합니다. 본 글에서는 양자컴퓨터의 원리와 함께 장점, 그리고 이를 제약하는 단점에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

양자컴퓨터의 기본 원리

양자 컴퓨터의 능력

: 구글이 현재 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로도 10 셉틸리언(셉틸리런은 10의 24 제곱)년 걸리는 문제를 5분 만에 풀 수 있는 양자컴퓨터를 개발했다고 밝혔습니다. 이는 우주의 나니 137억 년보다도 아득하게 긴 시간이 걸리는 문제를 몇 분만에 풀 수 있다는 애기입니다. 

 

기본 원리

: 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 근본적으로 다른 원리로 작동합니다. 일반 컴퓨터는 데이터를 처리할 때 0과 1로 구성된 비트(bit)를 사용하지만, 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)를 사용합니다. 큐비트는 양자 중첩(superposition)과 얽힘(entanglement)을 통해 동시에 여러 상태를 표현할 수 있는 독특한 성질을 지닙니다. 이러한 특성 덕분에 양자컴퓨터는 특정 계산 작업에서 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도를 보여줍니다.

예를 들어, 기존 컴퓨터가 모든 경우의 수를 하나씩 계산해야 하는 작업을 양자컴퓨터는 중첩과 병렬 연산을 통해 동시에 처리할 수 있습니다. 기존 컴퓨터가 0과 1을 순차적으로 저장하는 것과 달이 0과 1이 겹쳐진 '큐비트(qubit)'로 저장되는데 큐비트 2개는 4개의 조합(00, 01, 10, 11)을 가질 수 있기 때문에 큐비트가 늘어날수록 기하급수적으로 강력해집니다. 또한, 얽힘이라는 양자역학적 현상을 활용하면 큐비트들 간의 정보 전달이 극도로 빠르게 이루어질 수 있습니다. 이러한 원리 덕분에 양자컴퓨터는 암호 해독, 약물 개발, 기후 모델링 등에서 엄청난 잠재력을 보입니다.

그러나 이 기술은 아직 초기 단계에 있으며, 안정적인 큐비트를 유지하는 문제, 에러 수정 알고리즘의 개발, 상업화 가능성 등 여러 과제를 해결해야 합니다. 이로 인해 양자컴퓨터의 미래는 여전히 많은 도전 과제를 안고 있습니다.

양자컴퓨터의 주요 장점

1. 연산 속도
   양자컴퓨터의 가장 큰 장점은 연산 속도입니다. 큐비트의 중첩 상태 덕분에 복잡한 계산을 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 구글이 개발한 양자컴퓨터 시카모어(Sycamore)는 특정 계산에서 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터조차 수천 년이 걸릴 작업을 단 몇 분 만에 완료한 사례가 있습니다. 또한 양자컴퓨터의 병렬연산능력을 인간의 창의적 사고를 모방하는데 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이를 통해 휴머노이드 음악 작곡, 예술 창작 등 새로운 영역에 진출할 가능성을 열어주어 인간과 기계간 상호 작용을 새로운 차원으로 끌어올릴 가능성을 열어줍니다.
2. 특정 문제 해결 능력
   양자컴퓨터는 특히 최적화 문제와 암호 해독에서 뛰어난 성능을 보입니다. 쇼어 알고리즘(Shor's Algorithm)을 활용하면 기존 컴퓨터로는 해결하기 어려운 큰 숫자의 소인수분해를 단시간에 완료할 수 있습니다. 이는 현재 사용하는 RSA 암호화 방식을 빠르게 해독할 수 있어 보안 분야에 큰 위협이 될 수 있습니다. 
3. 과학과 산업의 혁신
   양자컴퓨터는 약물 개발, 신소재 연구, 기후 변화 분석, 군사분야 등 복잡한 시뮬레이션을 통해 과학적, 산업적 발전을 가속화할 어마어마한 잠재력을 가지고 있습니다. 특히 분자 수준에서의 시뮬레이션은  화학반응을 정확히 시뮬레이션할 수 있어서 신약 개발과정이 혁신적으로 빨라지게 할 수 있습니다.  물류, 금융, 네트워크 설계 등에서 최적화 문제를 효율적으로 해결할 수 있습니다. 금융분야에서는 시장 예측 모델, 리스크 분석, 포트폴리오 최적화 등 혁신적인 성과를 낼 수 있습니다.

 

양자컴퓨터의 한계점

1. 큐비트의 불안정성
   양자컴퓨터에서 사용하는 큐비트는 외부 환경에 매우 민감합니다. 작은 온도 변화나 전자기적 방해도 큐비트의 상태를 바꿀 수 있습니다. 이를 '디코히런스(decoherence)'라고 하는데, 외부 간섭으로 인해 양자 상태가 유지되지 못하고 무너지는데 안정적으로 작동하는 양자컴퓨터를 구축하는 데 가장 큰 장애물로 꼽힙니다.
2. 오류율과 에러 수정의 어려움
   현재의 양자컴퓨터는 오류율이 높아 상용화가 어렵습니다. 수백 개의 큐비트를 동시에 안정적으로 제어하고 오류를 수정하는 기술이 필요하지만, 이 과정은 매우 복잡하고 비용이 많이 듭니다. 
3. 높은 유지 비용
   양자컴퓨터는 극저온 환경에서만 작동할 수 있기 때문에 이를 유지하기 위한 비용이 엄청납니다. 현재 양자컴퓨터는 상업적 이익을 내기보다는 연구 개발의 대상으로만 활용되고 있습니다.
4. 응용 분야의 제한
   양자컴퓨터가 모든 문제를 빠르게 해결하는 것은 아닙니다. 특정 알고리즘에서만 기존 컴퓨터를 뛰어넘는 성능을 발휘하며, 일반적인 데이터 처리 작업에서는 오히려 기존 컴퓨터가 더 적합한 경우도 많습니다.
5. 양자 수정 오류 윌로칩 : 과학전문지 네이처에 게재된 연구결과에 따르면 윌로 칩은 105개의 큐비트를 가졌고 구글을 윌로 칩의 큐비트를 연결해 큐비트가 늘어날수록 오류가 줄어드는 방법을 찾았다고 밝혔습니다. 큐비트 격자를 3*3에서 5*5, 7*7로 키우면서 오류가 절반으로 줄어드는 결과를 확인했다고 합니다. 이는 큐비트 수를 늘리면서도 오류를 줄이는 '임계값 이하'를 달성하는 첫 양자 시스템이고 실시간으로 오류를 줄일 수 있는 기술도 개발했다고 구글은 설명했습니다.

 

결론

양자컴퓨터는 웹 서핑, 문서 작성, 영상 시청과 같은 간단한 작업은 기존 컴퓨터보다 효율적이지 않습니다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와는 차원이 다른 혁신적인 기술로, 복잡한 계산 문제를 빠르게 해결하는 데 적합한 장점을 가지고 있습니다. 하지만, 불안정한 큐비트와 높은 오류율, 비용 문제 등 여러 한계점도 존재합니다. 이러한 문제들이 해결된다면 양자컴퓨터는 미래 사회를 완전히 바꿀 핵심 기술로 자리 잡을 것입니다. 현재로서는 일반컴퓨터와 양자컴퓨터가 상호 보완적으로 사용된 가능성이 높고  AI의 성능을 대폭 향상하는 도구로 자리 잡을 가능성이 큽니다.  앞으로 양자컴퓨터 기술이 어떤 방향으로 발전할지 기대됩니다.