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양자컴퓨터는 0 또는 1뿐만 아니라, 0과 1이 동시에 존재하는 상태로 정보를 처리하는 컴퓨터야. 일상에도 0과 1이 함께 존재하는 상황이 있어. 과연 어떤 상황일까?

 

 

GIB

 

양자컴퓨터, 무엇이 다를까?

 

양자는 더 이상 쪼갤 수 없는 아주 작은 에너지 단위예요. 원자, 전자, 이온처럼 물질을 이루는 작은 단위들은 양자의 법칙을 따릅니다. 양자의 세계에서 일어나는 현상을 다루는 학문을 양자역학이라고 해요. 양자역학에서 양자는 한 곳에 고정되어 있지 않고 여러 곳에 동시에 존재할 수 있어요. 이를 양자 중첩이라고 합니다. 이 양자 중첩이 쓰인 대표적인 기술이 바로 양자컴퓨터예요.

양자컴퓨터와 기존의 컴퓨터는 무엇이 다를까요? 기존 컴퓨터가 정보를 처리하는 기본 단위는 비트예요. 비트는 0 또는 1 중 하나의 값을 갖습니다. 예를 들어 컴퓨터로 친구에게 ‘안녕’이라는 메시지를 보낼 때, 컴퓨터는 ‘안’이라는 글자를 01001000, ‘녕’은 01001101처럼 특정한 숫자로 변환하여 저장해요. 모든 정보를 차례대로 처리하기 때문에 여러 정보를 동시에 처리하기 어렵다는 단점이 있습니다.

반면 양자 컴퓨터의 정보 처리 단위는 큐비트입니다. 큐비트는 0과 1, 그리고 0과 1이 동시에 존재하는 상태로 정보를 처리할 수 있어요. 그래서 아주 많은 양을 일일이 계산해야 하는 정보를 처리할 때 기존 컴퓨터보다 유리합니다. 그러나 여러 큐비트가 중첩된 상태를 안정적으로 유지하기 어려워 아직은 오류가 있어요.

양자컴퓨터라고 해서 기존 컴퓨터보다 속도가 무조건 빠른 건 아닙니다. 정보를 처리하거나 계산하는 방법이 이미 알려졌을 때는 기존 컴퓨터의 정보 처리 속도가 훨씬 빨라요. 대신 여러 물질을 조합해서 새로운 약을 만들거나 풀리지 않은 암호를 푸는 것처럼 기존에 알려지지 않은 계산을 할 때는 양자컴퓨터의 속도가 더 빠르답니다.

 

 IBM Newsroom

 

양자컴퓨터로 무엇을 할 수 있을까?

 

2024년 12월, 미국의 정보기술 기업 구글은 연산 속도가 빠른 슈퍼컴퓨터로 풀 때 1025년이 걸릴 문제를 단 5분 만에 해결할 수 있는 양자컴퓨터 칩 ‘윌로(Willow)’를 개발했어요. 지난해 6월 미국의 컴퓨터 기업 IBM은 2029년까지 오류가 잘 생기지 않는 세계 최대 규모의 양자컴퓨터를 구축하겠다고 발표했어요. 중국은 이미 지난해 11월 양자컴퓨터 ‘한위안-1’을 개발해 판매하고 있습니다. 이처럼 전 세계가 양자 컴퓨터 개발 경쟁을 벌이는 이유는 무엇일까요?

그 이유는 기존 컴퓨터로는 계산하는 데 너무 오래 걸리거나 풀 수 없는 문제를 양자컴퓨터가 풀 수 있을 걸로 기대되기 때문이에요. 양자컴퓨터의 연산 능력이 쓰일 대표적인 분야는 신약 개발이에요. 새로운 약을 만들기 위해서는 아주 작은 알갱이인 분자들의 움직임과 결합을 살펴봐야 해요. 수만 개의 분자가 결합하는 경우의 수는 너무 많아서 기존 컴퓨터로 하나씩 계산하는 데 한계가 있었어요. 양자컴퓨터는 동시에 수많은 분자를 조합할 수 있어 가장 효과적인 신약 물질을 빠르게 찾아낼 것으로 기대돼요.

또 양자컴퓨터는 암호를 푸는 데 유용해요. 은행, 정부, 군대 같은 기관은 중요한 정보를 지키기 위해 쉽게 풀기 힘든 암호를 사용해요. 많은 암호는 1과 자기 자신으로만 나눌 수 있는 숫자인 ‘소수’ 두 개를 곱한 수를 바탕으로 합니다. 기존의 슈퍼컴퓨터는 이 암호를 풀기 위해 숫자를 하나씩 넣어 보며 나누어떨어지는지 확인했어요. 그래서 시간이 매우 오래 걸렸지요. 하지만 양자컴퓨터는 여러 숫자를 동시에 넣어볼 수 있어 암호를 푸는 속도가 훨씬 빨라요. 이 때문에 세계 각국은 양자컴퓨터로도 쉽게 풀 수 없는 ‘양자 내성 암호’를 개발하는 데 열을 올리고 있어요.

목적지까지 빠르게 갈 수 있는 최적의 경로를 찾는 데도 양자컴퓨터를 쓸 수 있습니다. 택배 기사가 하루에 1000곳을 들러야 한다고 상상해 보세요. 어떤 순서로 이동해야 가장 빠르고 효율적일지 경우의 수가 매우 많아요. 양자컴퓨터는 수많은 경로를 동시에 계산해 최적의 이동 경로를 찾아낼 수 있어요. 이를 활용하면 연료를 적게 사용하고 교통 체증을 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다.

양자컴퓨터가 등장한다고 해서 기존 컴퓨터가 사라지는 것은 아니에요. 기존 컴퓨터와 양자 컴퓨터가 각자의 장점을 살려 서로 보완하는 관계가 될 가능성이 큽니다. 아직 낯설더라도 양자컴퓨터가 어떤 기술이고 어디에 쓰이는지 이해해 두면 미래 사회를 준비하는 데 큰 도움이 될 거예요! 

 

컴퓨터는 이미 우리 일상에 없어서는 안 되는 기계로 자리 잡았어요. 그렇다면 양자컴퓨터가 가져올 변화는 무엇일까요? 양자컴퓨터의 속도와 복잡한 계산의 비결을 영상에서 확인해 보세요.

 

유튜브 채널 <국립중앙과학관> 영상 캡처

 

 

필자소개

김지훈(부산 신금초 교사)
안전하고 신나는 디지털 세상을 꿈꾸는 초등학교 선생님입니다. 우리에게 필요한 디지털 리터러시와 미디어 리터러시는 무엇인지 고민하며 학습자료를 만들고 수업을 실천하고 있습니다.