퀀텀 컴퓨팅이란 무엇인가

퀀텀 컴퓨팅

 

퀀텀 컴퓨팅(quantum computing)은 중첩, 간섭, 얽힘과 같은 양자 상태의 집합적 특성을 이용하여 계산을 수행하는 계산 방식의 일종입니다. 이러한 양자 계산을 수행하는 장치들은 퀀텀 컴퓨터라고 알려져 있습니다.

현재 퀀텀 컴퓨터는 실제 활용을 위해서는 일발 컴퓨터보다는 작지만, RSA 암호화의 기초가 되는 정수 인수 분해와 같은 특정 계산 문제를 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 처리할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.

양자 회로 모델, 양자 튜링 머신, 단방향 퀀텀 컴퓨터, 다양한 양자 셀 오토마타를 포함한 여러 종류의 퀀텀 컴퓨터가 있으며, 가장 널리 사용되는 모델은 양자 비트 또는 "큐비트"를 기반으로 하는 양자 회로이며, 일반적인 계산에서의 비트와 다소 유사합니다. 큐비트는 1 또는 0 양자 상태일 수도 있고, 1과 0 상태의 중첩일 수도 있습니다. 그러나 측정될 때는 항상 0 또는 1이며, 측정 직전의 양자 상태에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.

물리 퀀텀 컴퓨터를 만들기 위한 노력은 트랜 슨, 이온 트랩, 위상 양자 컴퓨터와 같은 기술에 초점을 맞추고 있는데, 이것은 고품질의 큐비트를 만드는 것을 목표로 하고 있습니다.

이 큐비트는 양자 논리 게이트, 양자 어닐링 또는 단열 양자 계산 중 어느 것을 사용하는지에 따라 완전한 퀀텀 컴퓨터의 계산 모델에 따라 다르게 설계될 수 있으며, 현재 유용한 퀀텀 컴퓨터를 만드는 데는 많은 어려움이 존재하고 있습니다. 특히 큐비트의 양자 상태를 유지하는 것은 어려운데, 왜냐하면 큐비트의 양자 상태는 양자 디코히렌스와 상태에 따라 영향을 많이 받기 때문입니다.

일반적인 컴퓨터로 풀 수 있는 모든 계산 문제는 퀀텀 컴퓨터로도 풀 수 있습니다. 물론, 퀀텀 컴퓨터로 풀 수 있는 모든 문제는 적어도 충분한 시간이 주어지면 일반적인 컴퓨터로도 풀 수 있긴합니다.

다시 말해서, 퀀텀 컴퓨터는 교회-튜링 이론을 따릅니다. 이는 퀀텀 컴퓨터가 계산 가능성 측면에서 일반적인 컴퓨터에 비해 추가적인 이점을 제공하지 않지만, 특정 문제에 대한 양자 알고리즘은 알려진 일반 알고리즘에 비해 처리 시간이 현저히 낮다는 것을 의미하기도 합니다.

특히, 퀀텀 컴퓨터는 일반적인 컴퓨터도 실현 가능한 시간 내에 해결할 수 없는 특정한 문제들을 빠르게 해결할 수 있다고 여겨지고 있습니다. 퀀텀 컴퓨터에 관한 문제의 계산 복잡성에 대한 연구는 양자 복잡성 이론을 기반으로 한다고 알려져 있습니다. 

 

 

퀀텀 컴퓨팅의 역사

퀀텀 컴퓨팅은 1980년 물리학자 폴 베니오프(Paul Benoff)가 튜링 기계의 양자역학 모델을 제안하면서 시작되었습니다. 리처드 파인만과 유리 마닌은 나중에 퀀텀 컴퓨터가 일반적인 컴퓨터가 할 수 없는 것들을 시뮬레이션할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 제안하였으며, 1986년 파인만은 양자 회로 표기법의 초기 버전을 도입하였습니다.

1994년, 피터 쇼어는 RSA 암호화 통신을 해독할 수 있는 정수의 소인수를 찾기 위한 양자 알고리즘을 개발하였고, 1998년 아이작 추앙, 닐 거센펠트, 마크 쿠비넥은 계산을 수행할 수 있는 최초의 2큐비트 퀀텀 컴퓨터를 만들었습니다. 1990년대 후반 이후 지속적인 실험 발전에도 불구하고, 대부분의 연구자들은 "퀀텀 컴퓨팅은 아직도 갈길이 멀다고 주장하였지만,  최근 몇 년 동안 공공 및 민간 부문에서 퀀텀 컴퓨팅 연구에 대한 투자는 꾸준히 증가하고 있습니다.

2019년 10월 23일, 구글 AI는 미국 항공우주국(NASA)과 협력하여 일반적인 컴퓨터에서 실현 불가능한 양자 계산을 수행했다고 주장했지만, 이 주장이 설득력이 있는지에 대한 검증 연구가 진행 중입니다.

2021년 12월 맥킨지는 다음과 같이 분석했습니다. 투자 자금이 쏟아지고 있고, 양자 기반 스타트업이 급증하고 있다."라고 말했습니다. 그들은 계속해서 "퀀텀 컴퓨팅은 기업이 기존의 고성능 컴퓨터의 범위와 속도를 뛰어넘는 문제를 해결하는 데 도움을 줄 것을 약속하지만, 사용 사례는 아직 시기상조라고 얘기하고 있습니다.