나만 빼고 다 아는 퀀텀 컴퓨팅

생성형 AI 가 전세계를 휩쓴지도 어느덧 몇 해 전이다. 생성형 AI 로 인해 인공지능과 딥러닝의 발달 단계가 눈에 띄게 진척되었는데, 이제 업계는 그 다음을 얘기하고 있다. 바로 생성형 AI 만큼의, 그리고 어쩌면 더욱 큰 파급력을 가진 양자 컴퓨팅이다. 양자 컴퓨팅이 변곡점에 다다랐다는 젠슨 황의 발언에 날뛰는 주식 시장 (출처) 은 날뛰었으며, 햑계와 구글을 포함한 IT 거물들 역시 양자 컴퓨팅 레이스에 뛰어든 듯 싶다. 심지어 IT에 대해 전혀 모르시는 우리 아빠까지도 '퀀텀 점핑'(?) 이라는 단어를 남발하고 있는데, 도대체 어디서 온 단어인지, 어떤 뜻인지는 모르겠지만 그만큼이나 핫한 주제라는 것은 분명한 사실인 듯하다..

하지만 일반인들에게 양자 컴퓨팅, 아니, 양자라는 개념 조차 이해하기는 어려운듯 하다. 이에 오늘 포스트는 양자 컴퓨팅에 대하여 쓰려고 한다. 참고로 나는 고등학교를 마지막으로 과학과 손절하였기에 기초적인 설명을 위주로 할 것이다.

(틀린 부분은 댓글로 고쳐주시면 감사하겠습니다!)

 

양자 컴퓨팅? 양자 역학?

우선 이름에서 알 수 있듯 양자 컴퓨팅은 물리학 이론인 양자 역학을 기반으로 하는 컴퓨팅 기술이다. 양자는 더 이상 나눌 수 없는 최소한의 에너지 단위로 정의되며 양자 역학은 원자와 아원자(쉽게 말해 전자, 양성자, 중성자와 같은 양자의 구성 요소)에서 일어나는 현상을 탐구한다. 

우리가 눈으로 보는 세상은 특정한 시점에 하나의 상태를 가진다. 동전은 앞면, 혹은 뒷면이고 컴퓨터의 비트는 0 혹은 1로 이루어진 것처럼 말이다. 하지만 입자는 여러 상태(백터를 이용해 양자의 특성을 나타내는 수학적 표현) 를 동시에 가질 수 있으며 이는 중첩 상태라고 부르는 중요한 특성이다. 이에 양자 컴퓨팅에서 사용하는 큐비트 역시 0 과 1 이 동시에 될 수 있고, 때문에 N개의 큐비트는 2^N 승의 상태를 가질 수 있다. 한 마디로 컴퓨터의 연산 능력이 기하급수적으로 향상된다. 

중첩 상태 외에 또 다른 주요 특성은 바로 양자 얽힘이다. 양자 얽힘에서는 두 개 이상의 입자가 얽혀 그 거리에 상관없이 서로에 즉각적인 영향을 준다. 따라서 얽혀 있는 입자는 하나의 시스템으로서 이해되어야 한다. 양자 컴퓨팅에서 이러한 특성은 큐비트 간에 상관관계를 부여해 더 적은 회로를 통한 연산, 더 효율적인 정보 확산, 그리고 양자 컴퓨팅에서 사용되는 다중 큐비트 게이트 연산을 가능케 한다. 

흥미롭게도 중첩 상태는 관측이 이루어지는 순간 붕괴된다고 한다. 관측이라는 행위자체가 입자에 물리적인 영향을 끼쳐 입자는 중첩이 아닌 하나의 상태가 된다는 것이다. 때문에 연산이 이루어지면서 큐비트의 상태를 확인함으로써 중첩 상태가 소실되어 더 이상 양자 컴퓨팅은 일어나지 않게 된다. 이를 극복하기 위해서 약한 측정, 양자 비파괴 측정과 같이 입자에 제한적인 영향을 끼치는 관측 방법이 개발되고 있다. 

 

위키피디아에 따르면, 양자 컴퓨터의 현 개발 단계는 'Noisy intermediate-scale quantum(NISQ) era'라고 한다. 이 단계에서 큐비트는 아직 수십개에서 수백개로 한정되어 있으며 특정 분야에서는 기존의 컴퓨터를 압도한다. 또한 열이나 전동 등 외부적인 요인에 취악하여 noise 라는 오류가 발생하지만, 이를 정정할 수 있는 능력은 미미하다. 

 

그 다음 단계는 바로 fault-tolerant 로 오류를 수정하는 단계를 말하며 양자 컴퓨팅의 대표주자 IBM 이 대규모 fault-tolerant 양자 컴퓨터인 IBM Quantum Starling을 2029 년까지 개발(출처)할 것이라고 한다.

 

이토록 경이로운 기술도 사용 사례가 미비하다면 결코 상용화 될 수 없을 것이다.

다행히도 양자 컴퓨팅은 생성형 AI 와 같이 많은 업계에 사용이 가능하다. 우선 복잡한 연산을 필요로 하는 암호 해독과, 방대한 양의 데이터를 분석 및 시뮬레이션이 필요한 의료 , 제약, 개발 분야의 R&D에 사용될 수 있다. 또한, 금융업계에선 많은 변수로 최적화된 포트폴리오와 정교한 모델을 만들 수 있다. 이렇듯 복잡한 연산과 방대한 정보 처리를 요하는 그 어느 분야에서 활용될 수 있는 것이 양자 컴퓨팅이다. 이렇게 실제 use case 에서 양자 컴퓨팅이 상용화 되는, NISQ 와 fault-tolerant 단계를 넘어선 pracitcal quantum advantage의 시대를 기대해본다.