양자컴퓨터의 이해

 

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미래에는 양자컴퓨터가 기존의 컴퓨터를 대체할 것이라는 글을 본 적이 있다. 양자 컴퓨터를 어떻게 만들었고 정말 기존의 컴퓨터를 대체할 수 있을 지 궁금하여 이 책을 읽게 되었다. 책에 나오는 핵심적인 내용과 추가적으로 구글링하여 얻은 정보들을 종합하여 가볍게 정리하였다.

 

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양자컴퓨터의 등장

  양자컴퓨터는 1982년에 양자물리학의 대가, 리처드 파인만이 최초로 고안한 아이디어이다. 그는 뼛속까지 물리학자였기 때문에 양자컴퓨터를 고안하게 된 계기도 물리학의 발전을 위해서였다. 0 또는 1이라는 확정값 기반의 기존 컴퓨터로 불확실성을 기반으로 하는 양자 세계를 시뮬레이션하는 것은 모순적이기 때문에 양자역학의 원리로 작동하는 컴퓨터를 만들어야 한다는 이유로 양자 컴퓨터 개념이 등장했다.

 

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양자역학과 양자컴퓨터의 원리

양자물리학을 보고 충격을 받지 않았다면 그것은 아직도 양자물리학을 이해하지 못했기 때문이다.
- 리처드 파인만(Richard Phillips Feynman)

 

양자(Quantum) : 물리량이 취할 수 있는 최소 단위.

양자화(Quantization) : 양자 단위의 정수배 값을 갖는다는 개념.

경영에서 흔히 쓰는 퀀텀 점프(Quantum jump)도 여기서 나온 용어이다. 계단식 성장을 한다는 뜻으로 기업이 순간적으로 많은 성장을 했을 때 퀀텀 점프를 했다고 표현한다.

 

입자와 파동 - 이중슬릿 실험

  개념을 정확하게 정리하기 위해 구글링하던 중 이해하기 쉽게 정리가 잘된 영상을 하나 발견했다. (https://youtu.be/VYWryVDQWO0) 안될 과학이라는 채널이었는데 유익한 내용이 많아서 바로 구독했다.

 

슈뢰딩거의 고양이

  양자역학하면 떠오르는 이 슈뢰딩거의 고양이, 박스를 열어 보기 전까지 박스 안의 고양이는 살아 있으면서 죽어 있다가 박스를 여는 순간 둘 중 어느 한 모습으로 고정된다는 사고 실험이다. 양자역학의 기본 원리를 단적으로 표현하고 있는 이 사고실험은 사실 슈뢰딩거가 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해 예시로 든 실험이었다. 하지만 이는 양자역학의 아이콘이 되어 수많은 사람들의 이해를 돕고 있다.

 

중첩(Superposition)

  슈뢰딩거의 고양이처럼 여러 상태가 공존하는 상태를 중첩이라고 한다.

양자컴퓨터에서는 0과 1의 값을 중첩으로 가지고 있는 큐비트(Qubit, Quantum bit)를 사용하여 계산을 하는데, 예를 들어 두 개의 큐비트의 경우, (0,0),(0,1), (1,0), (1,1) 4가지가 확률적으로 분포하는 중첩의 상태로 되어있다. 즉, n개가 중첩되면 2^n개의 정보를 동시에 중첩하여 가지고 있다는 것이다. 이렇게 중첩된 큐비트를 통해 연산을 한 번에 진행하기 때문에 양자컴퓨터가 기존의 컴퓨터보다 엄청나게 빠른 연산이 가능한 것이다. 예시로, 100개의 경로를 모두 탐색해야 하는 경우, 기존의 컴퓨터는 각각의 경로를 순서대로 100번 탐색하는 반면, 양자컴퓨터는 이를 병렬적으로 단 1번의 시간만에 100개의 경로를 모두 동시에 탐색을 한다.

중첩을 활용해 구현된 양자컴퓨터는 기존의 슈퍼 컴퓨터에 비해 1억 배 수준으로 빠르다고 한다.

 

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양자컴퓨터와 블록체인

암호화

  기존의 암호화 방법은 풀기 어려운 것이 아니라 풀기는 쉽지만 엄청난 시간이 걸리는 문제를 사용한다. 하지만 만약 아주 빠른 양자컴퓨터가 개발된다면 이를 짧은 시간 내에 충분히 풀어낼 수 있다. 즉, 기존의 암호 체계가 무력화될 수도 있다는 것이다.

 

공개키 방식 암호화

  공개키와 개인키가 짝을 이루는데, 공개키는 암호화를 하기 위한 키, 개인키는 암호를 풀기 위한 키로, 공개키로 암호화한 정보를 개인이 받아 개인키로 암호를 풀어 정보를 전달 받는 형식이다. 공개키는 감출 필요도 없고 개인키만 보안에 신경쓰면 된다.

최근에 많이 쓰이는 RSA 방식은 140자리 이상의 소수를 두 개 곱하고 추가 연산을 하여 만든 숫자로 키를 만드는데, 이 경우 공개키를 이용해 개인키를 알아내려면 만들어진 수를 소인수분해하여 기존의 두 소수를 알아내야 하는데 이는 슈퍼컴퓨터로도 1만년이 소요된다. 하지만 1억배 빠른 양자컴퓨터로는 1시간 밖에 걸리지 않는다고 한다.

 

블록체인

 

  양자컴퓨터의 등장은 블록체인의 근간을 깨버릴 수 있다. 블록체인은 탈중앙화를 기반으로 모든 참가자들이 모두의 거래 내용을 보관하게 된다. 특정 거래의 진위성을 판단하는 방법은 50%가 넘는 참가자들이 동일한 거래 내용을 가지면 진실이라고 판단한다. 즉, 진실을 판단하는 잣대가 정답이 있는 것이 아니라 더 많은 참가자들이 정답이라 말하는 쪽을 진실로 판단한다는 것이다. 참가자의 수가 매우 많기 때문에 50% 이상의 참가자를 해킹하는 것은 기존의 컴퓨터로는 현실적으로 어려웠지만 매우 빠른 양자컴퓨터가 등장한다면 블록체인을 해킹한다는 것이 가능해진다.

 

  또한 블록체인의 프로세스 중 작업 증명(Proof of Work)는 복잡한 문제를 풀어내어 가장 빨리 푼 참가자에게 비트코인 등의 리워드를 지급하는데 이 복잡한 문제도 어려운 것이 아닌 많은 시간이 걸리는 문제이다. 따라서 양자컴퓨터로 돌린다면 이 리워드를 독식하게 되고 이는 모든 참가자들이 공정하게 리워드를 받고 모두가 공정한 거래정보를 유지한다는 전제조건을 깨버린다.

위의 내용을 근거로 양자컴퓨터가 블록체인을 무력화시킬 수 있다. 하지만 블록체인 기술이 점점 화두가 되는만큼 양자컴퓨터의 등장에도 영향을 받지 않는 방향으로 발전해나갈 것이라고 생각한다.

 

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양자컴퓨터의 발전 방향성

  양자컴퓨터는 개인컴퓨터가 아닌 슈퍼컴퓨터를 대체하기 위해 개발되고 있다. 천문학적 비용이 들고 온도나 주변 환경에 많은 영향을 받을 뿐만 아니라 근본적인 문제점도 존재한다. 양자컴퓨터는 앞서 말했듯이 양자의 중첩을 기본으로 하여 구현했기 때문에 확률을 기반으로 만들어졌다. 이는 양자물리학 세계의 문제가 아닌 고정 값을 사용하는 고전역학 세계의, 일반적인 문제를 해결할 때에는 기존의 컴퓨터보다 오류의 확률이 높다는 것이다. 따라서 오류 확률을 낮출 수 있는 방법 개발이 필요하다.

 

  과학기술들은 보통 개념이 처음 등장한 이후 오랜 기간동안 연구가 지속되고 나서야 개발에 대한 분위기가 숙성되면서 초기 개념을 담은 기술이 개발된다. 예시로 인공지능도 1950년대에 처음 등장했지만 과학기술이 발전하고 인공지능에 대한 인식과 사회적 분위기가 어느정도 자리잡은 현재, 세상을 바꿀 기술로 자리 잡게 되었다. 양자컴퓨터는 아직 초기 개발이 이루어지고 있는 단계이다. 양자물리학이 까다롭고 어렵기 때문에 현재의 기술로도 부족한 부분이 많다. 하지만 언젠가 고도화된 기술이 양자컴퓨터의 개발을 가속시켜 우리의 삶을 혁명적으로 바꿀 것이라고 생각한다.