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그러면 양자컴퓨터는 어떻게 기존의 컴퓨터보다 빠른 걸까요? 양자컴퓨터의 핵심 원리는 양자역학의 현상인 ‘중첩’입니다. 분신술을 쓰면 한 번에 여러 일을 할 수 있듯, 중첩 상태에서 계산하면 결과를 더 빨리 찾을 수 있거든요!

물리학자들은 우리가 보고 살아가는 세상을 ‘거시 세계’라고 부릅니다. 이와 비교해 분자, 원자, 전자처럼 너무나 작아서 눈에 보이지 않는 세계를 ‘미시 세계’라고 불러요. 지금부터 우리가 마블 영화에 나오는 히어로 ‘앤트맨’처럼 원자만 한 크기로 줄어들어 미시 세계로 들어간다고 상상해 봅시다. 이곳에서는 거시 세계에서 일어나지 않는 이상한 현상들이 자주 일어나요. 그 대표적인 현상이 ‘중첩’입니다. 중첩은 한 원자가 동시에 서로 다른 상태로 존재하는 경우를 의미해요. 거시 세계에서는 고양이가 자거나, 깨어 있거나, 둘 중 한 가지의 상태로만 있을 수 있습니다. 그런데 미시 세계에 사는 원자 고양이는 동시에 자는 상태와 깨어 있는 상태로 있을 수 있다는 거예요. 도저히 이해가 안 된다고요? 고등과학원에서 양자컴퓨터와 양자 암호통신에 관해 연구하는 김재완 교수는 “미시 세계에서 일어나는 현상은 너무 이상해서 우리가 직관적으로 이해하기 힘든 게 맞다”고 말했습니다. 이어 “20세기 초의 물리학자들이 이 이상한 미시 세계를 설명하기 위해 만든 것이 바로 양자역학”이라고 설명했지요.

양자컴퓨터가 이용하는 것이 이 중첩현상입니다. 기존의 컴퓨터는 정보 처리 단위인 ‘비트’를 사용해요. 비트는 마치 형광등 스위치를 끄고 켜듯, ‘0’이나 ‘1’ 둘 중 하나의 정보만 담을 수 있습니다.

그런데 양자컴퓨터의 정보 처리 단위인 ‘큐비트’에는 0과 1은 물론, 0과 1이 여러 가지로 중첩된 상태도 담을 수 있어요. 이런 차이로 인해, 양자컴퓨터의 큐비트에는 훨씬 많은 정보를 담을 수 있을 뿐만 아니라, 여러 가지 계산을 동시에 수행할 수도 있습니다. 미로에서 탈출구를 찾을 때 기존 컴퓨터가 길 하나하나를 차례로 탐색해서 오래 걸린다면, 양자컴퓨터는 분신술을 쓰듯 모든 길을 동시에 탐색해 탈출구를 훨씬 빨리 찾을 수 있죠. 그렇다고 모든 문제에서 양자컴퓨터가 빠른 건 아니에요. 양자컴퓨터가 빠르게 풀 수 있는 문제를 찾아 적합한 알고리듬을 만들어야 한답니다.