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어서 와, 양자컴퓨터는 처음이지?
작성일 : 2025-03-11 21:06:58조회 : 103점수 : 0
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- yang120
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새내기 과학 출입 기자로서 3대 '게임체인저' 기술(AI, 바이오, 양자컴퓨터) 중에 가장 늦게 접했으면 하는 분야가 양자컴퓨터였습니다.
하지만 관련된 기사들이 매일 쏟아지는 걸 보고 결국 마주할 수밖에 없다는 사실을 깨달았죠. 그렇습니다. 불행히도 저는 양자컴퓨터를 영원히 피할 수 없었던 것입니다.
그래도 국내 유일의 상용 양자컴퓨터를 직접 눈으로 보고, 양자역학 권위자로 꼽히는 분들을 만나고, 관련 서적과 기사를 접하다 보니 양자컴퓨터에 대해 '양자만큼'은 이해할 수 있었습니다.
그러니, 지금 이 글을 읽고 계신 분들은 하고도 남습니다.
■ "양자 물리를 이해하는 사람은 아무도 없다"
일단 본론에 들어가기 전에, 우리 모두에겐 양자컴퓨터 기사를 읽을 용기가 필요합니다. 저는 이 말이 큰 용기가 됐습니다.위 책을 쓴 카이스트 물리학과 이순칠 교수님의 말입니다. 일단 양자컴퓨터 연구의 국내 최고 권위자로 꼽히는 교수님의 말이 위로가 됩니다.
이 교수님뿐만이 아닙니다. 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 훨씬 뛰어나다는 점을 처음 지적한 천재 물리학자 리처드 파인먼 역시 "양자물리를 이해하는 사람은 아무도 없다고 자신 있게 말할 수 있다"고 했습니다.
양자컴퓨터, 그리고 그 기반이 되는 '양자역학'은 원래 어려운 것이라는 걸 받아들여야 일단 첫발을 뗄 수 있습니다.
그럼 첫 번째 질문, 도대체 '양자'가 뭐길래 이렇게 어려운 걸까요?
■ 우리 세상 밑 바깥 우주양자(量子·Quantum)의 사전적 정의는 '더 이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량 단위'입니다. 일단 여기서부터 막히는 기분인데, 아직 포기하긴 이릅니다.
양자와 느낌은 비슷한데 조금 더 우리 귀에 익숙한 단어로 '원자(原子 ·Atom)'가 있습니다. 원자폭탄 할 때 그 원자입니다.
원자는 '물질을 이루는 기본 구성단위'인 만큼 엄청 작습니다. 일반적으로 0.1 나노미터 크기라고 합니다. 그런데 이 원자 안에는 또 '전자'라는 게 있습니다. 그럼 전자는 '엄청 엄청' 작겠죠?
양자역학은 원자보다 작은 전자나 광자(Photon) 같은 입자를 다룹니다. 그러니 양자의 세계는 압도적으로 작은 세계이고, 이걸 '미시세계'라고 부릅니다.
양자가 어려운 이유, 이 미시세계는 우리 거인들이 사는 '거시세계'와는 다른 법칙이 적용되기 때문입니다.우리는 SF 영화를 볼 때 스크린 안에서 어떤 희한한 일이 일어나도 절망하지 않습니다. 그건 영화니까요.
예를 들어 마블 영화 '앤트맨' 시리즈에서 주인공은 개미보다 더 작아질 수 있고, 심지어 몸 크기를 더 줄여 양자의 세계에 진입합니다(3편의 부제도 '퀀텀매니아' 입니다!). 그곳에서 주인공은 몸이 복제되고, 순간이동도 하죠.
그런데 이런 일들이, 우리가 현실에서 경험해 보지 못한 온갖 희한한 일들이 양자의 세계에선 실제로 일어납니다. 앤트맨 속 대사처럼 우리 세상 밑에 비밀 우주가 존재하는 거죠. 우리의 경험 밖 세상, 받아들이기 어려울 수밖에요.
그럼 그곳에서 일어나는 '희한한 일'은 구체적으로 어떤 게 있을까요? 두 번째 질문이자, 본격적으로 양자컴퓨터를 이해하는 열쇠입니다.
■ 중첩 : 동전의 앞면이면서 뒷면
제 앞에 동전이 하나 있습니다. 기사가 잘 안 써지니 동전을 던져보기로 합니다. 동전의 앞면이 나오면 오늘 출고, 뒷면이 나오면 내일 출고입니다. 결과는 무엇일까요?
거시세계에서 제 책상 위 동전은 둘 중 하나의 상태로 존재할 수 있습니다. 앞면 아니면 뒷면이죠. 하지만 양자의 세계는 다릅니다. 거칠게 표현하면 동전의 앞면과 뒷면이 동시에 존재할 수 있습니다. 이를 '중첩'이라고 합니다.
양자역학의 여러 개념 중에 이 중첩이 중요한 이유는 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 빠른 이유를 설명하는 주요 개념이기 때문입니다.양자컴퓨터 기사에 늘 빠지지 않고 등장하는 단어로 '큐비트'가 있습니다. 큐비트는 퀀텀(Quantum)의 앞 글자와 컴퓨터 정보의 최소 단위인 '비트(bit)'의 합성어입니다. 양자비트라고 할 수 있겠네요.
기존 디지털 컴퓨터는 이 비트에 0과 1, 둘 중 하나의 정보를 담아 계산합니다. 일종의 스위치 역할을 하는 트랜지스터에 전기가 흐르면 1, 전기가 흐르지 않으면 0인 거죠.
하지만 양자컴퓨터의 큐비트는 앞서 설명해 드린 '중첩'의 성질을 이용해 하나의 큐비트가 0과 1의 정보를 동시에 가질 수 있습니다.
예를 들어 3비트로는 단 3개의 정보 값만 담을 수 있지만, 3큐비트는 8개의 정보 값을 담을 수 있습니다. 4큐비트는 16개, 5큐비트는 32개, 이런 식으로 2의 N승만큼 기하급수적으로 증가합니다.
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