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[IT KEYWORD] 양자 컴퓨팅이란?

2023.10.17

[양자 컴퓨팅의 정의]

양자 컴퓨팅은 컴퓨터 과학, 물리학, 수학의 여러 측면으로 이루어진 종합적 분야로서 양자역학을 활용해

기존의 컴퓨터 기술 보다 빠르고 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅의 영역에는 하드웨어 연구 및 애플리케이션 개발이 포함됩니다.

양자 컴퓨터는 중첩 및 양자 간섭과 같은 양자역학적 효과를 활용해 기존 컴퓨터보다 빠르게 특정 유형의 문제를 해결할 수 있으며,

양자 컴퓨터가 이런 속도 향상을 제공할 수 있는 애플리케이션으로는 기계 학습(ML), 최적화, 물리 시스템 시뮬레이션 등이 있습니다.

최종 사용 사례로는 금융업의 포트폴리오 최적화, 화학 시스템 시뮬레이션 등 일반적이 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제 해결 등이 있습니다.

[양자역학이란?]

그렇다면 양자역학이란 무엇일까요?

“양자 컴퓨팅”에서의 양자는 시스템에서 출력을 계산하는 데 사용하는 양자 역학을 의미합니다.

물리학에서 양자는 실제 속성의 가능한 최소 개별 단위입니다.

일반적으로 전자, 중성미자, 광자와 같은 원자성 또는 아원자성 입자의 속성을 지칭합니다.

이로 인해 양자 컴퓨팅은 컴퓨터과학, 물리학, 수학의 여러 측면으로 이루어진 종합적 분야로

양자역학을 활용해 기존의 컴퓨터보다 빠르게 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.

[양자역학과 큐빗]

양자 컴퓨터를 이해하려면 ‘큐빗’이라는 개념을 이해해야 합니다.

간단하게 정의하자면 ‘큐빗’은 양자 컴퓨터의 정보처리 단위를 뜻합니다.

기존 컴퓨터의 정보처리 단위인 비트(Bit)는 정보를 0 또는 1로 저장할 수 있습니다.

하지만 양자컴퓨터의 큐빗(Qubit)은 동시에 0과 1로 저장이 가능합니다.

그리고 양자 역학의 중요한 원리인 ‘중첩’에 대해 간단하게 알아보겠습니다.

두 개의 큐빗은 중첩 상태의 4가지 가능한 상태가 있으며, 이러한 상태가 기하급수적으로 증가합니다.

해당 현상은 문제에 대한 방대한 양의 솔루션을 동시에 탐색할 수 있다는 의미이며,

서울에서 부산까지의 행로를 예로 들면 기존 컴퓨터 방식은 경부고속도로 하나를 이용하는 반면,

양자 컴퓨터는 비행기, KTX 등 다양한 방식으로 가서 가장 빠른 길을 찾아내는 셈입니다.

[양자 컴퓨터는 우리의 일상을 어떻게 바꿀까?]

구글 등 빅테크는 양자 컴퓨터가 기후 변화, 코로나19와 같은 인류의 과제를 해결할 수 있는 도구가 될 것으로 예상합니다.

예를 들어 효율성이 큰 배터리를 만들거나 탄소 배출 없이 비료를 만들 수 있는 기술,

혹은 코로나와 같은 전염병에 대응할 수 있는 의약품을 개발하는 일 등에 활용할 수 있다고 예상합니다.

구글 엔지니어인 에릭 루세로는 “고전적인 컴퓨터를 이용해 자연의 분자를 시뮬레이션하기는 어렵다. 새로운 유형의 컴퓨터가 그래서 필요하다”며

“자연은 양자 역학이다. 양자 컴퓨터는 현실 세계의 분자 복잡성을 분석하고, 분자가 어떻게 행동하고 상호 작용하는지 시뮬레이션하고,

오류를 지속적으로 수정하는 방식으로 활용할 수 있으며,

이러한 기능이 새로운 AI 아키텍처를 비롯해 더 나은 배터리, 에너지 효율이 높은 비료, 특정 전염병을 타깃으로 한 의약품을 개발하는 데 도움이 될 것”

이라고 설명했습니다.

이런 특성 때문에 각 나라는 양자 컴퓨터 개발에 매달리고 있으며,

미국이 기술을 주도하고, 일본, 중국, 인도, 한국 등이 개발에 속도를 내고 있는 추세입니다.

[양자 컴퓨팅의 활용 분야]

신용평가기관인 스탠더드 앤 푸어스 (S&P) 글로벌 마켓 인텔리전스가 지난 3 월 발표한 보고서에 따르면 전 세계 정부 기관의 양자 컴퓨터 투자 계획 규모는 42 억 달러에 달했으며,

양자컴퓨터는 제조업, 제약업, 그리고 국방산업에까지 활용될 것으로 예측됩니다.

양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 모든 것을 더 빨리 수행할 수는 없습니다.

하지만, 큰 영향을 미칠 분야는 아래와 같다.

양자 시뮬레이션

양자 컴퓨터는 다른 양자 시스템을 모델링하는 데 적합합니다.

즉, 기존 컴퓨터에 과부하를 일으킬 수 있는 양자 시스템의 복잡성과 모호성을 처리할 수 있으며,

모델링할 수 있는 양자 시스템의 예로 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 광합성, 전기 저항 없이 전류를 흐르게 하는 초전도성, 복잡한 분자 형성 등이 있습니다.

암호화

현재 인터넷에서 데이터를 안전하게 보내기 위해 사용하는 암호 시스템에는 RSA (Rivest-Shamir-Adleman) 알고리즘을 사용합니다.

방식은 소인수 분해 또는 이산 로그와 같은 다루기 힘든 문제를 활용해 암호화하는 식입니다.

그러나 양자 컴퓨터는 이러한 문제 그리고 그 문제로 만들어진 암호 중 다수를 풀 수 있습니다.

양자 컴퓨팅은 암호 해독에만 쓰이는 것이 아니라 양자 방식으로 암호를 만드는 데도 쓰일 수 있습니다.

양자 암호 역시 양자역학의 특별한 현상을 이용합니다.

해커가 중간에 양자 암호키를 측정하거나 정보를 관측하려 하면 양자 상태에 변화가 생깁니다.

이러한 변화는 양자 상태가 변했다는 것은 암호가 변한다는 의미입니다.

최적화

최적화는 원하는 결과와 제약 조건을 고려해 문제에 대한 최상의 솔루션을 찾는 프로세스입니다.

과학 및 산업 분야에서는 비용, 품질, 생산 시간과 같은 요소를 기반으로 중요한 결정을 내리는데 양자 컴퓨터로 이 모두를 최적화가 가능합니다.

기존 컴퓨터에서 양자 유도 최적화 알고리즘을 실행해 전에는 불가능했던 솔루션을 찾을 수 있으며,

이를 통해 교통 흐름, 비행기 게이트 할당, 패키지 배달, 에너지 스토리지와 같은 복잡한 시스템을 관리하는 더 나은 방법을 찾을 수 있습니다.

순다르 피차이 (구글 CEO)도 지난 2019년 스위스 다보스에서 열린 세계경제포럼에서 “양자컴퓨터가 자연 세계에 대한 인류의 이해도를 높일 것으로 기대하며 신약과 더 나은 배터리를 개발 할 수 있는 기회를 가져올 것”이라면서 “향후 5~10년 이내에 구체적인 결과물이 나올 것”이라고 언급하였습니다.

출처:

https://azure.microsoft.com/ko-kr/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-quantum-computing/#introduction

https://aws.amazon.com/ko/what-is/quantum-computing/

https://investpension.miraeasset.com/contents/view.do?idx=17311

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