[신문과 놀자!/디지털 세상과 정보]상상을 현실로 만들 ‘양자컴퓨터’ 시대 눈앞에

0과 1 동시에 갖는 ‘큐비트’ 방식
중첩 상태로 여러 계산을 한번에
수백 년 걸릴 문제 몇 분이면 해결
기후 예측-신약 후보 탐색 등… 변수 많은 분야서도 활약 기대

영하 273도의 극저온에서 작동하는 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 계산이 어려웠던 날씨 예측, 신약 발굴 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 구글 제공

인공지능(AI) 기술이 발전하면서 막대한 계산량을 처리할 수 있는 양자컴퓨터에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 과학자들이 기존의 한계를 넘어선 기술을 선보이며 큰 주목을 받고 있습니다. 사실 양자컴퓨터에 대한 연구는 1980년대부터 시작되었습니다. 초기에는 개념적으로만 논의되었지만 점점 실용화 단계에 가까워지고 있습니다. 양자컴퓨터는 우리가 현재 사용하는 일반 컴퓨터보다 훨씬 더 빠르고 강력한 컴퓨터입니다.

● 컴퓨터의 기본 원리 ‘비트와 큐비트’

우리가 매일 사용하는 컴퓨터는 정보를 처리할 때 비트(bit)를 사용합니다. 비트는 0과 1 중 하나의 값만 가질 수 있습니다. 마치 전등 스위치처럼 켜져 있거나 꺼져 있는 상태를 나타내죠.

하지만 양자컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 특별한 방식을 사용합니다. 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 신기한 상태에 있습니다. 이를 중첩 상태라고 부릅니다. 예를 들어 설명하면, 여러분이 동전을 손바닥 위에 올려놓고 빙글빙글 돌린다고 상상해 보세요. 동전이 돌아가는 동안에는 앞면인지 뒷면인지 알 수 없죠. 이 상태가 바로 큐비트의 중첩 상태와 비슷합니다.

큐비트 덕분에 양자컴퓨터는 한 번에 여러 가지 경우를 계산할 수 있습니다. 마치 여러 대의 컴퓨터가 동시에 일하는 것과 같죠. 현재 사용하고 있는 컴퓨터와 처리 속도 비교를 위해 숫자 맞히기 게임으로 설명해 보겠습니다. 1부터 100까지의 숫자 중 하나를 여러분이 생각하고, 컴퓨터가 그 숫자를 맞히는 게임을 한다고 상상해 보겠습니다. 일반 컴퓨터는 한 번에 하나씩 숫자를 확인해야 합니다. “1인가요? 2인가요?” 이렇게 하나씩 물어보며 최악의 경우 100번까지 질문해야 합니다.

양자컴퓨터는 모든 숫자를 한 번에 확인할 수 있습니다. 마치 친구 100명이 각각 다른 숫자를 동시에 물어보는 것과 같습니다. 그래서 단 한 번의 질문으로 정답을 찾을 수 있습니다. 이렇게 양자컴퓨터는 복잡한 문제를 훨씬 빠르게 해결할 수 있습니다.

● 양자컴퓨터의 작동법 및 활용

양자컴퓨터는 우리가 일상에서 접하는 세계와는 조금 다른 미시 세계의 물리 법칙을 이용합니다. 이 세계에서는 정말 신기한 일들이 일어나는데요, 그중 몇 가지를 살펴보겠습니다.

첫째, 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있습니다. 이것이 바로 중첩 상태입니다. 이 상태 덕분에 양자컴퓨터는 여러 가지 계산을 동시에 할 수 있습니다.

둘째, 물결이 일렁이는 바다를 상상해 봅시다. 파도가 서로 만나서 더 커지거나 작아질 때가 있습니다. 이를 간섭 현상이라고 합니다. 양자컴퓨터는 이 간섭 현상을 이용해서 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

셋째, 양자컴퓨터에서 사용하는 큐비트는 서로 얽힐 수 있습니다. 하나의 큐비트 상태가 변하면 얽혀 있는 다른 큐비트의 상태도 바로 변합니다. 이 덕분에 양자컴퓨터는 엄청난 속도로 정보를 처리할 수 있습니다.

양자컴퓨터는 다양한 분야에서 놀라운 변화를 가져올 수 있습니다. 양자컴퓨터는 분자 구조를 분석하는 데 탁월한 능력을 발휘합니다. 변수가 매우 많아 현존하는 슈퍼컴퓨터로 해결하기 어려운 기후변화 예측이나 신약·신소재 후보 물질 탐색, 자원 최적화 문제 해결 등에 활용됩니다. 또 복잡한 교통 체계를 분석해 최적의 경로를 제안할 수도 있습니다. 도시의 교통 체증을 줄이는 데 큰 도움이 되겠죠? 더 나아가 양자컴퓨터는 복잡한 우주의 데이터를 분석해 우리가 우주에 대해 더 많은 것을 알 수 있게 도와줄 수 있습니다.

● 양자컴퓨터를 만드는 방법

양자컴퓨터는 어떻게 만들어질까요. 과학자들은 큐비트를 구현하기 위해 여러 가지 기술을 사용하고 있습니다. 첫 번째로 초전도 회로 기술입니다. 이는 금속 회로를 아주 낮은 온도(영하 273.15도)로 냉각해 전기 저항을 없애는 방법입니다. 이 상태에서 전류가 시계 방향과 반시계 방향으로 동시에 흐를 수 있게 만들어 중첩 상태를 구현합니다.

둘째, 이온 트랩은 개별 원자를 제어하는 방법으로 전기장을 이용해 공중에 떠 있는 이온(전하를 띤 원자)을 조절합니다. 이어 빛의 입자인 광자의 편광 상태(빛의 진동 방향)를 이용해 중첩 상태를 만듭니다.

컴퓨터의 역사는 단순한 계산기로 시작해 지금의 스마트폰과 초고속 네트워크 시대에 이르기까지 놀라운 발전을 이뤄 왔습니다. 처음 등장한 컴퓨터는 방 한 칸을 가득 채울 정도로 컸지만 현대사회를 완전히 바꿔 놓았습니다. 인터넷과 네트워크 속도가 점점 빨라지면서 전 세계가 연결되었고, 정보와 아이디어가 즉시 공유되며 사회 변화의 속도는 기하급수적으로 빨라졌습니다. 양자컴퓨터가 본격적으로 사용된다면 어떨까요? 양자컴퓨터는 우리의 일상을 더욱 획기적으로 바꿀 가능성을 가지고 있습니다.

예를 들어 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 수백 년이 걸릴 계산을 단 몇 분 만에 끝낼 수 있습니다. 양자컴퓨터가 보급되면 지금보다 더 복잡하고 거대한 문제를 해결할 수 있는 시대가 열릴 것입니다. 언젠가 여러분도 양자컴퓨터를 직접 사용하며 이 변화의 중심에 서게 되겠죠. 더 큰 변화의 세상을 기대하며 여러분의 꿈을 키워가길 바랍니다.

양자컴퓨터

양자역학에서 양자얽힘, 중첩, 텔레포테이션 등의 효과를 이용해 계산하는 컴퓨터를 말한다. 기존 컴퓨터가 0과 1만 구분할 수 있는 반면에 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 공존시킬 수 있다.