지식보관소_ 슈퍼컴퓨터를 넘어선 양자컴퓨터의 원리와 앞으로의 미래에 대한 이야기

 

 

 

지난 편에 얘기한 것처럼

구글은 Quantum supremacy

즉 양자 우월성을 달성했다는 논문을

네이처지에 게시했습니다.

 

이에 대해 현재 IBM 측은

구글의 양자우월성이 과장된 것이라고 얘기하는데요.

우리의 입장에서는 대체 뭐가 맞는 건지 혼란스러울 수 있습니다.

 

 

그럼, 일단 IBM은

왜 구글의 발표가 과장이 되었다고 주장을 하는 것일까요?

 

사실 구글이 양자우월성을 얘기할 때

슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 연산 작업을

3분 20초 만에 계산해 냈다고 주장을 했는데요.

그 슈퍼컴퓨터를 만든 회사가 바로 IBM이기 때문입니다.

 

어떻게 보면 구글은 자신들의 기술을 과시를 하면서

경쟁사 IBM을 저격한 것인데요.

IBM 입장은 구글이 주장한 성능은

양자 난수 생성이라는 양자 컴퓨터가 유리한 연산에 국한된 것이며

IBM 측의 슈퍼컴퓨터 서밋의 알고리즘을 개선하면

1만 년이 아니라 2.5일이면 연산을 할 수 있다고 주장한 것입니다.

 

그리고 그 정도 수준은

자신들이 현재 개발 중인 양자 컴퓨터로도 달성이 가능하고

이걸로 양자우월성을 달성했다고 주장하는 건

아직 이르다라고 주장하고 있는 것이죠.

 

 

결국 IBM의 주장은

구글은 허세가 심할 뿐만이 아니라

자기들보다 조밥이라고 얘기 ..

 

결국 구글이 치사하게 IBM의 슈퍼컴퓨터 Summit의

현재 알고리즘이 계산하기 힘든 영역을 공격해서

IBM을 공격하고, 구글의 기술이 뛰어난 것처럼 포장을 했다는 것이

IBM의 주장인 것이죠.

 

아무튼 이런 내용들은 두 업체들의 팽팽한 기싸움이니까

뭐 그렇다고 치더라도

그래서 양자컴퓨터가 특정한 연산에서만

일반 컴퓨터보다 우위를 점한다는데

그게 왜 그런 것이고, 어떻게 그럴 수 있는지

양자컴퓨터의 원리를 조금 더 자세히 들여다보도록 하겠습니다.

 

 

지난 편에서처럼 기본 원리는

양자역학의 중첩상태를 이용하는 것이기 때문에

전자를 Coheremce State 즉, 양자결맞은 상태로 유지시켜야 합니다.

 

양자역학에 따르면

모든 에너지나 위치 에너지는 양자화되어 있습니다.

이걸 불연속적이라고 얘기하는데

불연속적이라는 용어가 어려워서

이 의미가 얼마나 소름 돋는 건지 잘 감이 안 오실 겁니다.

 

 

즉, 한마디로 우주가 무한히 작은 양이 존재할 수 있는 아날로그가 아니라

최소한의 양이 존재 해야 하는 디지털과 유사해서

최소의 에너지, 최소의 양처럼

그리고 또 컴퓨터에 최소 픽셀, 1픽셀처럼

최소한의 양이 있다는 것입니다.

 

이 내용을 제가 다시 설명하자면

이 설명만으로 1시간 이상은 사용해야 되기 때문에

이 내용은 제 이전 시리즈인 양자역학 시리즈편들을 참고해 주시기 바랍니다.

 

또한 관측, 즉 상호작용 전에는

입자의 상태가 정해지지 않는 에너지의 상태

일명 파동의 상태로 존재하다가

관측이 되는 순간 상태가 정해집니다.

 

관측이 돼서 입자의 상태가 정해지지 않은 상태를

Quantum supremacy라고 부르는 것이죠.

 

 

결국 결맞은 상태에서는

전자의 상태가 정해지지 않은 불확정성 상태가 됩니다.

 

그러면 상태가 정해지지 않은 전자로 인해서 그 상태가 다시 정해지면서

다른 얽혀 있는 전자의 상태에 변화를 주게 된다면 어떻게 될까요?

이것을 양자적으로는 Quantum entanglement

즉 양자얽힘 상태라고 하는데요.

 

이해하기 쉽게 비유하자면,

슈레딩거의 고양이의 사고 실험에서

방사성 동위원소가

결맞음 상태 깨짐으로 인해서

연쇄작용으로 고양이가 죽게 되는데

여기서 고양이의 목숨은

방사성 동위원소와 얽혀 있다고 보면 됩니다.

 

엄밀히 말하면 그렇게 말할 순 없지만

아무튼 큐비트와 얽힌 상태에 다른 전자쌍이 있다면

슈라이딩거의 고양이의 전자 버전이 되는 것인데요.

 

 

일명 양자전송이라고 부르는 퀀텀 텔레포테이션의 원리가

서로 엉킴상태에 있는 전자쌍을 한쪽으로 가져다 놓고

다른 한쪽에서 관측을 해서

측정한 대상을 결어긋남 상태를 만들게 될 경우에

그 측정에 의해서 멀리 떨어진 얽힘상태의 전자쌍의 상태를

즉시 변하게 하는 것을 의미합니다.

 

이건 나중에 제가 따로 설명할 예정인 양자 보안통신에서

더 자세히 설명해야 할 것 같습니다.

 

그래서 슬슬 소름 돋는 얘기를 하자면

그래서 트랜지스터는 0과 1 중 하나의 상태를 가지는 반면에

큐비트는 0과 1이 중첩된 상태를 가지다가

얽힌 상태의 전자를 측정해서 상태를 정할 수가 있게 되는 것입니다.

 

 

따라서 이번에 구글이 주장한 것처럼

슈퍼컴퓨터의 성능을 53개의 큐비트로 뛰어넘을 수 있었던 이유는

양자 난수생성이라고 하는 특별한 연산에 있어서는

이 양자컴퓨터가 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 더 유리했기 때문인데요.

 

53개의 큐비트를 사용하게 되면

한 번에 무려 2^53개의 랜덤한 난수를 생성할 수 있게 되는데요.

이거는 CPU와 GPU를 합쳐서

2만 개가 넘는 코어를 가진 슈퍼컴퓨터로도

수행하기가 굉장히 어려운 작업입니다.

 

그래서 53개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터로

슈퍼컴퓨터의 연산능력을 넘어설 수가 있었던 것이죠.

 

또한 이 방식은 트랜지스터와 다르게 병렬연산이 가능해서

큐비트의 숫자가 늘어날수록

성능은 기하급수적으로 증가하게 되는데요.

 

아까 말한 것처럼 53개의 큐비트를 사용하면

2^53개의 난수가 생성되기 때문에

여기에서 큐비트의 숫자를 하나만 더 늘려도

성능이 2배가 좋아지는 것입니다.

 

각 큐비트가 동시에 중첩상태로 얽혀 있기 때문인데

참고로 53개의 큐비트면 9천조 개(2^53)의 경우의 수를 만들 수 있다는 것이고

여기서 의도치 않은 결어긋남(decoherence)가 얼마나 자주 발생했느냐와

구글이 어떻게 알고리즘을 구성했느냐에 따라서

실질적인 성능의 차이가 있겠지만

적어도 이번에 연산 능력에서 놀라운 성능을 보여준 것이죠.

 

 

그러면 여기서 들 수 있는 생각은

아니 그러면 큐비트의 개수를 100개, 200개까지 계속해서 늘려나가면

성능은 무한하게 좋아지는

이거 완전 사기적인 능력 아니야

엄청 빨리 발전이 되겠네 라고 얘기할 수도 있겠지만,

 

사실 이미 53개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터가 가능하다는 것 자체가

굉장히 대단한 일입니다.

 

왜냐하면 양자역학은 상호작용이 없는 상태에서

결맞은상태를 유지해야 되는데

아무래도 입자의 단위가 작을수록 유리합니다.

즉, 전자 1개쌍을 얽힘으로 유지하는 것과

2개쌍을 얽힘으로 유지하는 것은

난이도 차이가 엄청나게 다른 것인데요

 

이는 결국 큐비트의 개수가 늘어날수록

미시세계보다 거시세계의 물체가 되니

점점 양자역학의 특성을 유지하기가 힘들게 되는 겁니다.

 

그래서 불과 몇 년 전까지만 해도

많은 전문가들도 양자컴퓨터가 상용화되는 건

먼 미래에나 가능하다고 주장하였고

일부 전문가는 양자컴퓨터가 영원히 상용화될 수 없다고

얘기하기도 했던 것입니다.

 

 

또한 이렇게 많은 전자 얽힘을 가지게 되면

그만큼 오류 발생량이 많아져서

결국 제대로 된 성능이 나오지 않게 될 가능성이 매우 높아지게 됩니다.

 

그 때문에 저 또한 작년에

53개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터를 개발하고 있다는 뉴스를 봤을 때만 해도

큐비트의 숫자만 많고 성능은 형편이 없는

그런 양자컴퓨터가 나올 것이라고 개인적으로 예상을 했었는데요.

 

그런데 실제로 이미 양자난수 생성과 관련된 특정한 연산에서

슈퍼컴퓨터의 성능을 아득히 뛰어넘었고

IBM은 그 정도는 우리도 가능하다라고 맞받아치고 있는 상황인 데다가

구글은 여기서 한 발짝 더 나아가서

우리는 72개의 큐비트를 개발하고 있다고 주장하는 등

엄청난 투자와 엄청난 속도로 발전 중인 것이 사실입니다.

 

 

그런데 또 여기에서

“양자컴퓨터가 특별한 연산에서만 슈퍼컴퓨터를 이길 수 있으면,

그게 대체 무슨 의미예요?

그게 과연 쓸데가 있는 건가요?”라는 질문을 해볼 수도 있을 텐데요.

 

그런데 양자컴퓨터가 연산할 수 있는 부분은

이전 컴퓨터가 하기 힘든 부분들이고

이런 양자 컴퓨터의 알고리즘이 AI나 신약개발, 또는 양자 시뮬레이션 등

굉장히 중요한 미래 기술에 사용이 가능하다는 것입니다.

당연히 이런 것들이 쓸데없는 기술일 수는 없겠죠.

 

 

지난 편에 댓글들을 보니까 많은 분들이 양자컴퓨터 얘기가 나왔을 때

사실 양자컴퓨터가 뭔지에 대해서 자세한 내용을 몰라서

지금 가정용 컴퓨터를 대체할 수 있는 그런 물건처럼 생각을 한 것 같습니다.

 

하지만 지난 편에서 말했던 것처럼

양자컴퓨터는 까다로운 양자역학을 유지하기 위해서

엄청나게 커다란 초전도 설비와

굉장히 까다로운 물리적인 조건들을 요구하는데요.

 

그래서 가까운 미래에

개인용 컴퓨터에 영향을 줄 가능성은 굉장히 적고

컴퓨터의 모든 연산 부분을 담당할 수 있는 것 또한 아닙니다.

 

그럼에도 기존 컴퓨터가 하지 못했던 영역에서

말도 안 될 정도의 엄청난 성능을 보여주는 만큼

이 기술이 인공지능이나 신약개발 같은

첨단 과학기술의 엄청난 발전을 가져올 것이라는 건 분명한데요.

 

그리고 개인용 컴퓨터로 사용하지 못한다고 해도

그 연산 능력을 이용해서 우리가 클라우드 서비스로

개인용 컴퓨터에서 연산 리소스를 사용을 하는 방식으로

사용이 가능해질 수도 있을 것입니다.

 

그래서 이제 코앞으로 양자시대가 다가오게 되었는데요.

그러면 우리는 어떻게 미래를 준비해야 될까요?

 

이 이후에는 양자암호 통신이 무엇인지에 대한 것과

양자시대를 살아가기 위해서

우리가 알아둬야 할 상식들을 주제로

여러 콘텐츠들을 만들어 보도록 하겠습니다.

그럼 이만.