요즘 핫한 양자 컴퓨터 이론 정리

요즘 양자 컴퓨터가 무척 핫한데요.

양자컴퓨터란 무엇인지 알아보겠습니다.

양자컴퓨터란?

양자컴퓨터(Quantum Computer)는 기존의 디지털 컴퓨터와는 완전히 다른 원리로 작동하는 차세대 컴퓨팅 기술입니다. 디지털 컴퓨터는 정보를 0과 1의 이진수로 표현하고 이를 처리하지만, 양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 활용하여 정보를 처리합니다.

양자 컴퓨터 핵심 개념

1. 큐비트(Qubit)
   양자컴퓨터의 기본 단위는 큐비트로, 0과 1을 동시에 표현할 수 있는 중첩(superposition) 상태를 가집니다. 이는 기존 비트가 0이나 1 중 하나의 상태만 가질 수 있는 것과 대조됩니다.
2. 중첩(Superposition)
   큐비트는 동시에 여러 상태에 있을 수 있습니다. 이를 통해 양자컴퓨터는 동일한 시간 내에 여러 계산을 병렬적으로 수행할 수 있습니다.
3. 얽힘(Entanglement)
   두 개 이상의 큐비트가 얽혀 있는 상태에서는, 한 큐비트의 상태를 알게 되면 다른 큐비트의 상태도 즉시 알 수 있습니다. 이는 먼 거리에서도 유지되며 계산의 효율성을 높이는 데 사용됩니다.
4. 측정(Measurement)
   큐비트의 상태를 측정하면 중첩된 상태가 0 또는 1 중 하나로 확정됩니다. 이 과정에서 양자 정보는 일부 소실될 수 있습니다.
5. 양자 터널링(Quantum Tunneling)
   특정 문제를 해결할 때 에너지 장벽을 뛰어넘어 최적의 해결책을 빠르게 찾는 데 도움을 줍니다.

 

양자역학

이 양자역학을 알아보기 위해서 오랜만에 도서관에서 가서 궤도의 다시만난 과학을 읽어보고 왔습니다.

먼저 단어 뜻부터 살펴보면 양자는 양을 의미하는 quantity에서 온 말이고 역학이란 힘과 운동에 대한 학문입니다. 즉 양자역학이란 서로 떨어져 있는 양자가 어떤 힘을 받아 어떤 작용을 하는지 알아보는 학문입니다.

그리고 이 양자역학은 고전역학인 뉴턴의 운동법칙과 반대되는 이론인데요.

뉴턴의 3법칙은 아래와 같은데요. 저 정지할 때 사람이 밀리는 버스 그림이 가장 많이 인용된 과학 그림이라고 합니다 ㅎㅎ

• 관성의 법칙
• 가속도의 법칙
• 작용-반작용의 법칙

그리고 뉴턴 시대의 고전역학이 현대역학으로 전이하게 된 계기는 빛이 입자라고 받아들인 다양한 과학자들(플랑크, 아인슈타인, 드브로이, 하이젠베르그, 슈뢰딩거, 디랙 등)의 사고실험 덕분이라고 할 수 있는데요.

빛이 파동이라고 여기면 설명되지 못하는 자연현상(흑체복사, 고체열용량, 광전효과, 컴프턴효과, 수소 휘선스펙트럼, 고체 전자회절)을 이해하기 위해, 만약 ‘빛이 입자라면’이라는 가정을 통해 사상의 전환을 끌어냈습니다. 이에 에너지의 불연속성과 불확실성의 원리 등을 통해 양자역학의 개념이 정립되게 되었습니다.

기본적으로 고전역학이 우리가 사는 세계에서는 다 적용되는데요. 원자세계로 들어가면 맞지 않는 현상들이 나타납니다.

기존에는 우리가 알던 원자는 행성모형으로  러더퍼드의 핵모형에서 고전물리학으로 설명할 수 없던 에너지를 잃고 원자핵으로 전자가 떨어지는 문제를 해결하기 위해  특정한 궤도만을 선택하고, 그 궤도 위에서는 에너지를 잃지 않는다는 가설을 세웠습니다. 궤도 위에 있는 전자를 '정상상태(stationary state)에 있다고 하고 띄엄띄엄 떨어져 있는 궤도들 사이를 전자가 이동하기 위해서는 한 궤도에서 다른 궤도로 점프를 해야 하는데, 여기에서 양자도약/퀀텀점프(quantum jump)라는 개념이 생겨났습니다.

양자모형에서는 더 나아가 양자중첩이 되는데요. 즉 전자가 궤도위에서 돈다기 보다는 일정한 확률도 중첩되어 나타난다는 것입니다. 이 뮤옇나 실험이 슈레딩거의 고양이 실험입니다. 실험에는 원자와 고양이 한 마리가 등장하는데요. 고양이는 밖에서 보이지 않는 상자 속에 들어있고, 원자는 A 상태(예를 들면 입자)일 수도 있고 B 상태(예를 들면 파동)일 수도 있는 중첩의 상태입니다.

원자가 A상태라면 그림 속 기계장치는 움직이지 않지만, 원자가 B 상태라면 기계가 움직여 독약이 든 병을 깬다. 그리고 고양이는 숨을 거둘 것입니다. 그렇다면 원자가 현재 A, B 중에 결정되지 않은 중첩상태라고 가정한다면, 상자 속 고양이는 살아있는 것인가 아니면 죽어있는 것인가라는 문제가 생깁니다.

독일의 물리학자 베르너 하이젠베르크가 1927년에 제창한 물리학 이론으로, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻합니다,

여기에서 양자 얽힘이 나오는데요. 양자 얽힘(entanglement)이란 A,B 두 입자의 상태가 01 또는 10의 상태로 중첩되어 있어 A입자의 상태를 측정하여 0이 관측되면 계의 상태는 01 상태로 붕괴되어 B입자는 반드시 1의 상태로 관측된다는 것입니다. 여기에는 B입자의 상태가 A입자의 측정에 의하여 결정된다는 것에 핵심이 있습니다.

현재 컴퓨터와 양자컴퓨터의 차이

앞에 양자역학에 대한 설명이 너무 길었는데요. 양자 컴퓨터의 경우 현재의 컴퓨터의 경우에는 처리 단위가 비트입니다. 즉 비트가 2개라면 00,01,10,11이라는 4개의 상태에 대해서 한번에 처리할 수 있는데요.

양자컴퓨터는 아까 알아본 양자의 얽힘과 중첩을 통해 큐비트라는 단위를 사용합니다. 즉 2큐비트라면 00,01,10,11이 동시에 존재해서 문제를 해결할 수 있는데요. 바로 2승의 문제를 해결할 수 있는것입니다.

간단하게 설명하면 현재 컴퓨터는 직렬로 연결되어 하나하나 처리해야한다면,

양자컴퓨터는 병렬도 여러개를 한번에 처리할수 있는 것이죠.

 

즉 이런방식으로 기존의 암호를 깰 수 있습니다.

2015.09.22 - [Tip & Tech/IT] - [쉬운IT]공개키 암호화 방식

[쉬운IT]공개키 암호화 방식

기존의 암호는 128비트나 256비트의 암호키를 통해 암호화 하는데요.

앞서 양자컴퓨터의  20개의 큐빗을 사용한다면 2의 20승인 1,048,576 개의 중첩상태를 만들 수 있는데 양자 컴퓨터의 계산은 교묘한 알고리즘으로 중첩과 얽힘을 제어하여 해답을 빠르게 찾아갈 수 있습니다.

각 연산 회수마다 모든 중첩상태가 한꺼번에 계산되기 때문에 양자 알고리즘을 잘 설계한다면 획기적으로 연산 회수를 줄여 빠른 계산을 수행할 수 있습니다. 이를 “양자 초월성”이라 하는데요.

대표적으로 1994년 피터 쇼어는 소인수 분해 계산은 양자컴퓨터가 월등히 빠르게 수행할 수 있다는 “쇼어 알고리즘”을 증명했고, 2019년에 구글은 Nature지 논문에서 54큐빗으로 작동하는 양자 시카모어(Sycamore) 칩을 개발하여 슈퍼 컴퓨터로 10,000년 걸리는 계산을 200초에 수행하여 “양자 초월성을”을 입증하였다고 발표하였습니다.

이후 슈퍼컴퓨터 업계의 대부(?)인 IBM은 구글이 너무 어렵게 잡았다며, 현재 슈퍼컴퓨터로도 2.5일만에 연산할 수 있다고 반박기사를 내기도 했습니다. 

https://www.ibm.com/quantum/blog/on-quantum-supremacy 

On “quantum supremacy” | IBM Quantum Computing Blog

 

그래도 엄청 고가인 슈퍼 컴퓨터로 2.5일만에 처리할 일을 양자컴퓨터로 200초라면 확실히 양자 컴퓨터의 성능이 빠르긴 합니다.

즉 양자 컴퓨터는 계산 속도의 혁신적 향상을 이뤄냈는데요. 중첩과 얽힘을 활용하여 기존 슈퍼컴퓨터로는 수백 년이 걸릴 문제를 몇 분 안에 해결할 수 있습니다.

전체적인 문제보다는 답이 있는 특정 문제 해결에 강점이 있는데요.

• 암호 해독: 기존의 RSA 암호 체계를 빠르게 풀 수 있음.
• 최적화 문제: 물류, 금융, 의료 등에서 복잡한 최적화 문제 해결.
• 신약 개발: 분자 시뮬레이션을 통해 신약 개발 속도 향상.
• AI와 머신러닝: 양자 알고리즘으로 데이터 학습 효율성을 극대화.

하지만 양자컴퓨터에도 한계가 존재하는데요. 일단 큐빗을 안정적으로 만들기가 어렵고, 이렇게 빠른 속도의 병렬처리를 결국 어디선가는 합쳐야 하는데요. 이 때 오류정정이 쉽지 않습니다.

그리고 이번에 구글이 윌로우라는 105개의 양자칩으로 만든 컴퓨터를 공개하면서 이 오류를 최소화했다고 하는데요.

구글 윌로우

구글이 윌로우를 공개하면서 가장 처음 내세운 것도 큐비트 확장에 따른 오류를 줄였다느 것입니다.

첫째, 윌로우는 큐비트 수를 늘려 규모를 확장할 때 오류를 기하급수적으로 줄일 수 있습니다. 이는 거의 30년간 양자 컴퓨팅 분야의 핵심 과제였던 양자 오류 수정에 대한 해결책을 제시합니다.

둘째, 윌로우는 오늘날 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 10^25년(10셉틸리언/10자년)이 걸리는 표준 벤치마크 계산을 5분 이내에 수행했습니다. 이는 우주의 나이보다 훨씬 긴 시간입니다. 

과연 윌로우는 양자컴퓨터의 획기전인 전환점이 될 수 있을지 궁금하네요. 특히 이 암호해독은 요즘 암호화폐를 무력화할 수 있어서 더 관심을 많이 받고 있는데요.

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과연 양자컴퓨터가 AI 다음의 트렌드가 될 수 있을지 궁금하네요.