2025년 양자 컴퓨팅은 어디까지 발전할까?
차세대 기술의 물결이 시스템과 사회를 변화시키고 있다. 양자 컴퓨팅이 그 다음 차례일까?
1900년, 막스 플랑크는 흑체 복사 문제를 연구하는 젊은 물리학자였다. 흑체 복사는 실험 데이터(가열된 다양한 유형의 물질에서 방출되는 복사)가 고전 물리학에서 예측한 것과 일치하지 않아 집중적인 연구 대상이었다.
그 당시 물리학은 엄청난 성공의 물결을 타고 있었고, 자연계의 많은 부분을 설명할 수 있을 것으로 보였다. 하지만 몇 가지 미진한 부분을 마무리해야 했다.
그 중 하나는 가열된 고체 물질이 모든 주파수 대역에서 점차 증가하는 방사선을 방출하지 않는다는 연구 결과였다. 더 나쁜 것은, 방사선이 방출된다면 무한 에너지의 형태로 더 큰 문제를 야기할 수 있다는 것이다. 바로 자외선 재앙이다. 해결책을 찾기 위해 필사적으로 노력한 플랑크는 실험 데이터를 사용해 수백 년에 걸친 과학적 사고를 위반하는 수학적 모델을 구축했다.
그 결과, 에너지는 플랑크가 양자라고 부르는 개별적인 수준 또는 패킷으로 들어온다는 생각이 떠올랐다. 이로 인해 그 유명한 플랑크 상수가 만들어졌고, 완전히 새로운 물리학 분야인 양자역학이 탄생했다.
컴퓨터가 구체화되기까지는 아직 수십 년이 걸릴 것이므로, 플랑크는 양자과학과의 기묘하고 거의 신비주의적인 교차점을 예견할 방법이 없었다. 그럼에도 불구하고, 오늘날 우리가 알고 있는 양자 컴퓨팅은 그의 업적에 빚지고 있다.
전통적 컴퓨팅의 한계
클래식 컴퓨팅은 1940년대에 폰 노이만 아키텍처와 함께 본격적으로 시작되었다. 그 이후로, 더 작은 트랜지스터와 물질에서 성능과 효율성을 끌어내기 위해 더욱 영리한 설계로 계속 발전해 왔다. 이로 인해 놀라운 발전과 지금까지 상상할 수 없었던 기능이 만들어졌지만, 이론적으로도 해결되지 않은 특정 유형의 문제가 여전히 남아 있다.
예를 들어, 대수의 소인수 분해라는 고대부터 전해 내려온 쉬운 문제를 생각해 보라. 2,048비트처럼 충분히 큰 정수에 대한 이 문제는 최첨단 슈퍼컴퓨터를 사용하더라도 푸는 데 수십억 년이 걸릴 것이다.
소인수 분해는 이론가만 관심을 갖는 단순한 수학 퍼즐이 아니다. 인터넷 보안의 상당 부분이 이 문제와 연관이 있다.
불확실성 모델링
전통적인 컴퓨터는 본질적으로 부울 논리 구조라서 근본적으로 예/아니오 상태를 인식한다. 현대 AI 시스템의 힘은 부울 논리 구조의 기반 위에 확률적, 무작위적 또는 확률적 엔진을 겹겹이 쌓는 데 있다. 추론의 근거는 세상의 많은 부분이 모호하기 때문에 통계적 근사치에 의해서만 설명할 수 있다는 것이다.
그러나 어려운 수학 문제의 경우, 기본적인 하드웨어 모델을 극복하는 것만으로도 충분하다. 필요한 것은 단순히 예 또는 아니오를 말하는 것이 아니라 가능성을 제시하는 컴퓨터다. 이런 컴퓨터는 우주의 미지 영역까지 모델링할 수 있다. 양자 컴퓨팅은 트랜지스터 비트를 큐비트라는 아원자 입자로 대체한다.
작동 원리를 아인슈타인의 빛 양자 개념이 진화한 궤적을 통해 플랑크의 양자 개념을 따라가야 하며, 하이젠베르크의 불확정성 원리 영역으로 넘어가서 아원자 물리학의 실험 데이터 해석에 대해 논쟁을 시작해야 한다.
불확실성의 원리에 직면하면 냉철한 과학자도 철학적 질문에 직면하게 된다: 실험에서 발견되는 불확실성은 물리적 세계, 물리적 세계와의 관계, 또는 인간의 감각과 정신에서 비롯된 것인가? 다시 말해, 그러한 불확실성은 존재론적인가, 아니면 인식론적인가? (하이젠베르크 자신은 불확정성이라는 용어를 선호했다.)
양자역학의 코펜하겐 해석은 ‘결정하려고 하지 말고, 양질의 과학을 계속 연구하자’고 주장한다.
양자 컴퓨팅의 약속
양자역학의 과학적 난제를 이해하는 가장 좋은 방법은 분할 빔 또는 이중 슬릿 실험이다. 사고 실험의 영역에 머물러 있지만 기본 개념은 광자(아원자 입자)가 어떻게 보느냐에 따라 다른 특성을 나타낸다는 것이다. 광자가 검출기에 도달하기 전에 보면 입자처럼 행동하지만, 그렇지 않으면 파동처럼 행동한다.
광자에 유익한 것은 모든 아원자 입자와 그 모든 특성에 적용된다. 불확정성 원리는 우리의 이해를 둘러싼 경계선으로, 우리가 무엇을 알 수 있는지를 알려주는 틀이다. 아원자 입자의 위치와 속도를 모두 알 수는 없다. 한 가지 값을 찾으면 다른 값을 정확하게 발견할 수 없게 된다. 아무리 밀고 당겨도 아원자 세계는 여전히 불분명하다. 아원자 입자가 감각적 현상의 영역에 들어갈 때마다 그 행동은 확률적으로 나타난다.
그러나 이 이상한 성질은 유용하다. 만약 우리가 그러한 입자의 성질을 이용해 물질의 물리적 성질에 의존하는 방대한 통계적 계산을 할 수 있다면 어떨까?
그것이 양자 컴퓨팅의 목표다. 문제는 이러한 입자를 의미 있는 방식으로 고정하는 것이다. 입자를 사용 가능한 상태로 유지하는 것만으로도 엄청난 엔지니어링 과제가 된다. 중성미자 같은 일부 입자는 매우 안정적이지만 상호 작용에 유용한 상태로 만들기 어렵다. 프로톤과 중성자 같은 다른 입자는 상호 작용이 가능하지만 매우 불안정하고, 비결정성에 취약하다.
양자 결어굿남(Decoherence)는 아원자 세계에서 거시 세계로 현상이 전환되는 것을 말한다. 일부 양자역학 해석은 이 경계에 따라 확고한 경계를 그어, 본질적으로 우주를 두 영역으로 나눈다. 양자 컴퓨팅이 해야 할 일은 양자 세계에서 입자가 일관성을 유지하는 동안 질문을 던지고, 우리가 합리적으로 출력할 수 있는 방식으로 입자들을 거시 세계로 양자 결어긋남이 일어나도록 유도하는 것이다.
이것이 매크로 탐지기와 전통적인 컴퓨팅 자원 간의 인터페이스를 만들고 양자 컴퓨팅 인프라를 개발하는 도전 과제다.
현실 세계의 양자 컴퓨팅
양자 컴퓨팅 연구가 점차 현실 세계에서 활발해지는데 과연 단기적, 장기적으로 어떤 영향을 미칠지 궁금한 사용자도 많을 것이다.
가장 영향을 받는 분야는 암호학이다. 양자 컴퓨터는 여러 상태를 동시에 취할 수 있기 때문에, 큰 숫자를 인수 분해하는 것과 같은 작업이 동시에 진행될 수 있다. 입자 상태의 중첩에 의존해 한 번에 여러 가능한 결과를 탐색할 수 있다.
머신러닝과 양자 컴퓨팅 간의 교차 가능성도 매우 흥미롭다. 신경망의 확률적 성질과 AI는 일반적으로 양자 컴퓨터의 하드웨어 기능을 사용해 훨씬 더 효율적으로 더 근본적인 수준에서 모델링할 수 있는 것으로 보인다. AI 시스템이 양자 하드웨어에 기반한다면 얼마나 강력할까?
또 다른 분야는 융합을 포함한 대체 에너지원의 개발이다. 물질 자체를 사용해 현실을 모델링하면 아직 완전히 예측할 수 없는 가능성을 열 수 있다. 약물 발견과 재료 설계도 양자 계산의 관심 분야다. 하드웨어 수준에서 양자 시스템은 물질 자체를 사용해 유용한 물질을 설계하는 복잡성을 모델링할 수 있게 해준다.
특히 오류 수정 분야에서 이러한 흥미로운 발전은 양자 컴퓨팅의 시대가 마침내 도래했음을 시사하는 것으로 보이다. 그러나 사용 가능한 시스템으로 발전하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많다. 그리고 일상적인 사용자에게 실용적으로 적용하기 위해서는 더 많은 작업이 필요하다. 아마도 클라우드 시스템이 양자 컴퓨팅 자원을 임대해 전체 시스템에 고유한 기능을 제공하는 하이브리드 컴퓨팅 모델이 등장할 것이다.
양자 혁명이 다가오고 있다
양자 컴퓨팅의 현재 상황을 이해하려면 구글이 윌로우 칩을 최근에 발표한 획기적인 성과를 생각해 보라. 여기서 중요한 점은 엔지니어가 큐비트 수가 증가함에 따라 오류를 감소시키는 양자 시스템을 성공적으로 구축했다는 것이다. 오류 검사는 모든 컴퓨터 시스템에서 필수적이지만, 양자 시스템에서는 특히 그렇다. 양자 시스템에서는 항상 입자들이 결어긋남에 시달리고, 거시 환경과의 상호 작용으로 인해 얽힘이 사라질 위험이 있다.
윌로우는 7×7의 물리적 큐비트로 확장되었다는 점도 주목할 만하다. 인상적이지만, 여전히 작은 규모다. 언젠가 양자 컴퓨팅이 실험적인 프로젝트에서 유용한 컴퓨팅 자원으로 도약하는 순간이 올 것이다. 2025년에 바로 현실화되지는 않겠지만, 그래도 양자 혁명은 현실로 다가오고 있다.
철학적 측면에서 양자역학 실험은 우리가 알고 있는 인과관계와는 완전히 다른 것을 가리키고 있을 뿐만 아니라, 이 특성을 활용하는 기계를 만들 수도 있다. 양자 컴퓨터는 기본적으로 물체가 알려지지 않은 상태(확률에 의해 결정됨)에 있는 동안 물체를 가져다가 질문을 던진다. 그런 다음, 그 질문을 다시 알려진 상태로 해독해, “미지의 세계로의 여행”에서 유용한 데이터를 도출할 수 있다.
양자 기술이 완전히 실현되지는 않았지만, 실현될 것이라고 믿을 만한 충분한 이유가 있다. 기술 전문가라면 양자 기술의 세계를 주시해야 한다. 현재 종사하고 있는 분야에서 양자 기술이 언제, 어디에서 활용될 수 있을지 살펴보자. 그리고 때가 되면 도약할 준비를 하자.
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