차세대 보안 기술로 떠오르는 양자컴퓨터는 기존의 슈퍼컴퓨터보다 복잡한 계산을 훨씬 빠른 속도로 처리한다는데, 대체 어떤 원리로 빠른 속도를 내는지 쉽게 설명해 주세요.

Question

차세대 보안 기술로 떠오르는 양자컴퓨터는 기존의 슈퍼컴퓨터보다 복잡한 계산을 훨씬 빠른 속도로 처리한다는데, 대체 어떤 원리로 빠른 속도를 내는지 쉽게 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

기존의 컴퓨터는 숫자 0과 1이라는 bit 단위로만 순차적으로 계산을 했습니다. 왜냐하면 전기가 꺼지거나 켜지는 두 가지 상태 중에 하나만 선택할 수 있기 때문이죠. 그렇지만 양자 컴퓨터는 큐비트라는 새로운 단위를 사용합니다. 그리고 이 큐비트는 숫자 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩의 특성을 가지죠. 게다가 여러 큐비트가 서로 얽혀서 연결되는 양자 얽힘 현상까지 일어납니다. 그러므로 모든 경우의 수를 한꺼번에 동시에 계산해 버리니까 속도가 비교가 안 될 정도로 빨라지는 것입니다. 그래서 쉽게 비유하자면 미로 찾기를 할 때 차이가 확실히 느껴질 겁니다. 왜냐하면 기존 컴퓨터는 가는 길마다 길을 하나씩 들어가 보면서 막히면 되돌아오는 방식입니다. 하지만 양자 컴퓨터는 미로 전체의 한 번에 물을 흘려 보내는 것과 같은 거죠. 그래서 수많은 길을 한 번에 동시에 파악해서 정답을 찾아낼 수가 있습니다. 그래서 결과적으로 슈퍼컴퓨터가 몇백 년 동안 풀어야 할 복잡한 암호나 화학 반응 계산을 단 몇 초 만에 깔끔하게 끝내버릴 수가 있는 겁니다.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 큐비트의 중첩과 큐비트끼리 연결되는 얽힘을 이용해서 많은 경우의 수를 한꺼번에 다룬답니다. 암호 해독처럼 경우의 수가 거대한 특정 문제에서 압도적으로 빠르기 때문에 구분은 필요합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 0 또는 1 중 하나만 표현하는 비트를 쓰는 것과 달리 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 양자역학의 중첩현상을 활용한 큐비트를 기본 단위로 사용합니다. 이 중첩 덕분에 큐비트 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량이 2^n개로 폭발적으로 늘어나 모든 가능성을 하나씩 순차적으로 계산하는 슈퍼컴퓨터와 달리 무수히 많은 경우의 수를 동시에 병렬 처리할 수 있습니다 여기에 입자들이 서로 긴밀하게 연결되는 얽힘현상이 더해져 하나의 큐비트 상태 변화가 전체 계산 과정에 즉각 영향을 미치며 최적의 정답을 도출하는 속도를 극적으로 높여줍니다 결과적으로 양자컴퓨터는 모든 문제에서 빠른 것이 아니라 암호 해독이나 분자 구조 분석처럼 거대한 경우의 수를 한 번에 탐색해야 하는 특정 복잡 계산에서 비교할 수 없을 만큼 압도적인 연산 속도를 발휘합니다

Answer 4

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

일반 컴퓨터의 비트는 0이나 1 중 하나만 담지만, 양자컴퓨터의 큐비트는 0과 1이 일정 비율로 겹친 중첩 상태를 가질 수 있어요. 큐비트끼리 얽힘으로 묶이면 표현할 수 있는 상태 수가 2의 n제곱으로 늘어나요. 큐비트 300개면 2³⁰⁰가지 조합을 한꺼번에 다루는데, 우주 전체의 원자 수보다 큰 숫자예요.

그런데 흔히 말하는 "모든 경우를 동시에 계산해서 빠르다"는 설명은 절반만 맞아요. 계산이 끝나고 결과를 읽는 순간 중첩이 풀리면서 답 하나만 무작위로 나오거든요. 속도는 간섭에서 나와요. 양자 상태는 파동처럼 더해지고 상쇄되는 성질이 있어서, 알고리즘을 잘 설계하면 틀린 답으로 가는 경로들은 서로 지워지고 맞는 답으로 가는 경로만 강해져요. 노이즈 캔슬링 이어폰이 반대 파형으로 소음을 없애는 것과 비슷한 원리예요. 그래서 측정했을 때 높은 확률로 정답이 나와요.

이런 설계가 가능한 문제에서만 속도가 크게 차이 나요. 큰 수를 소인수분해하는 쇼어 알고리즘이 대표적이고, 인터넷 암호에 쓰이는 RSA가 이 문제의 어려움에 기대고 있어서 보안 분야가 긴장하는 거예요. 분자 구조 계산이나 신약 후보 탐색도 유리한 분야예요. 반대로 문서 작업이나 게임처럼 일반적인 계산은 기존 컴퓨터가 더 빠르고, 큐비트가 작은 잡음에도 쉽게 깨져서 아직 오류를 줄이는 기술을 개발하는 단계예요 :)