양자 컴퓨터의 속도와 상용화 가능성 그리고 초저온 환경과 양자중첩

최근 국내에 최초로 양자 컴퓨터가 도입되었다는 기사를 봤습니다. 드디어!라는 생각과 함께 과연?이라는 의문이 동시에 떠 올랐습니다. 주로 해당 기사 내용을 중심으로 한번 정리해 봅니다.

양자 컴퓨터의 속도와 초저온 환경과 양자중첩

 

양자 컴퓨터의 속도와 초저온 환경과 양자중첩

  양자 컴퓨터란

기존의 컴퓨터와는 완전히 다른 방식으로 정보를 처리하는 컴퓨터입니다. 우리가 지금 사용하는 컴퓨터는 "비트"라는 기본 단위로 정보를 저장합니다. 비트는 0 아니면 1의 값을 가질 수 있습니다. 하지만 양자 컴퓨터는 "큐비트"라는 단위를 사용합니다. 큐비트는 양자중첩이라는 원리를 활용해 동시에 0과 1의 상태를 가질 수 있습니다. 이 덕분에, 양자 컴퓨터는 많은 계산을 병렬로 수행할 수 있는 강력한 잠재력을 가지고 있습니다.

 

예를 들어, 127개의 큐비트를 가진 양자 컴퓨터는 2¹²⁷개의 상태를 동시에 계산할 수 있습니다. 이는 기존의 컴퓨터로는 불가능한 수준의 계산 성능을 제공할 수 있는 잠재력을 의미합니다.

 

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  양자 컴퓨터와 현재 컴퓨터의 속도 비교

양자 컴퓨터의 속도를 이해하기 위해 현재 세계 최고 수준의 슈퍼컴퓨터와 비교해 보겠습니다. 현재 세계 최고 성능의 슈퍼컴퓨터는 미국의 Frontier 슈퍼컴퓨터로, 초당 약 1.102 엑사플롭스 1.102 × 10¹⁵의 연산을 수행할 수 있습니다. 이는 엄청난 숫자지만, 양자 컴퓨터가 이론적으로 수행할 수 있는 연산량과는 비교가 되지 않습니다.

 

127 큐비트 양자 컴퓨터는 약 2¹²⁷, 즉 약 1.7 × 10³⁸ 번의 연산을 동시에 처리할 수 있습니다. Frontier 슈퍼컴퓨터가 이 모든 연산을 처리하려면 약 1,220억 년이 걸릴 것입니다. 이는 현재 우주의 나이인 대략 138억 년의 약 88배에 해당하는 시간입니다. 반면 양자 컴퓨터는 이 모든 연산을 단 몇 나노초 만에 처리할 수 있습니다. 엄청난 차이죠.

 

 

  양자 컴퓨터의 작동 환경

이론적으로만 보았을 때 양자 컴퓨터가 그렇게 우수하다고 해도, 현실적으로는 여러 가지 문제가 존재합니다. 가장 큰 문제 중 하나는 초저온 환경이죠.

양자 컴퓨터의 큐비트는 외부의 열이나 진동에 매우 민감하기 때문에 안정적인 작동을 위해 극저온 상태, 즉 절대 영도에 가까운 약 -273.13°C에서 유지되어야 합니다. 현재 대부분의 초전도 기반 양자 컴퓨터는 15-20 밀리켈빈(약 -273.13°C)에서 작동합니다. 이러한 환경을 만들기 위해서는 거대한 냉각 장치와 많은 에너지가 필요합니다.

 

이러한 냉각 시스템을 유지하는 비용은 상당히 높습니다. IBM의 양자 컴퓨터인 '퀀텀 시스템 원'을 운영하는 데도 막대한 전력과 특수 장비가 필요합니다. 이는 양자 컴퓨터를 대규모로 상용화하기에는 아직 많은 어려움이 있음을 의미합니다. 초저온 환경을 유지하는 데 드는 비용은 양자 컴퓨팅 센터의 전반적인 유지 관리 비용의 상당 부분을 차지하며, 이러한 부분들이 일반인 수준으로 상용화하기에는 갈길이 먼 일이죠.

 

 

  양자 컴퓨터의 가능성

그럼에도 불구하고 양자 컴퓨터는 매우 다양한 분야에서 가능성을 보여주고 있습니다. 예를 들어, 기사에도 언급됐던 신약 개발 분야에서는 수많은 후보물질을 신속하게 시뮬레이션하여 최적의 조합을 찾아낼 수 있습니다. 기존의 컴퓨터로는 수십 년이 걸릴 분석을 단기간에 처리할 수 있기에, 글로벌 제약사들은 양자 컴퓨터와의 협력을 통해 신약 개발을 가속화하고 있습니다.

 

또, 금융 모델링에서는 복잡한 시나리오를 더 정확하고 빠르게 계산할 수 있습니다. 기존의 암호화 방식 중 일부(예: RSA)에 대해 양자 컴퓨터는 이론적으로 우위를 가질 수 있습니다. 이는 대규모 양자 컴퓨터가 실현될 경우, 특정 암호를 빠르게 해독할 수 있는 가능성을 의미합니다. 그러나 이러한 우위는 아직 실현되지 않은 대규모 양자 컴퓨터를 전제로 하며, 모든 종류의 암호에 대해 자동적으로 우위를 가지는 것은 아닙니다.

 

하지만 아직까지는 큐비트의 안정성을 확보하고 에러 보정 문제를 해결해야 한다는 기술적인 한계가 있습니다. 이러한 문제들이 해결되어야만 양자 컴퓨터가 본격적으로 상용화될 수 있을 것? 어쩌면 말이죠. 그리고 빼놓을 수 없는 또 하나는 완벽한 양자화된 컴퓨터인가입니다. 이 부분은 아무래도 초전도체라는 재료와 관련된 부분이라 나중에 따로 이야기를 정리해 봐야 겠습니다.