반도체 일상 16. 양자 컴퓨터

반도체 일상 15. 양자역학이 기억나는가? 관측에 의해 찢어진 확률의 가슴 아픈 사랑 이야기. 물론 사랑 이야기는 다루지 않았지만 양자역학에서는 관측에 의해 현실이 정해진다는 개념을 다뤘다. 이번 포스팅에서는 양자역학의 원리를 이용해 양자 컴퓨터를 만들어 보려한다. 이름만 들어도 난해한 양자역학과 만들기엔 너무 복잡해 보이는 컴퓨터. 이 둘을 합치려면, 엄청난 기계를 만들어야만 할것같다. 맞긴하지만, 기본적인 내용은 그리 복잡하지 않다.

 

 양자컴퓨터는 큐비트(Qubit)만 알면된다. 비트(bit)는 기존 컴퓨터가 인식할 수 있는 정보의 단위이다. 컴퓨터는 정보를 0과 1로 인식을 한다. 예를들어 컴퓨터에게 ‘안녕’이라고 한다면 컴퓨터는 ‘1100010101001000 1011000101010101’로 인식한다. 여기서 1 또는 0을 갖는 한칸을 비트라 한다.

 

 큐비트는 Quantum-bit, 즉 양자 비트의 약어이다. 이 때 큐비트의 정보는 0과 1이 아니다. 양자역학에서 규정 했던 관측하기전까지 확률로 존재하는 양자상태이다. 다시말해 0인지 1인지 아무도 모르는 상태이다. 컴퓨터가 비트를 관측함으로써 0과 1이 결정된다. 이를 전문용어로 중첩(Superposition)이라 한다.

 

 관측 할때마다 0과 1이 무작위로 나오므로, 이를 컴퓨터라고 할 수 있을지 의문이 들 수 있다. 하지만양자 컴퓨터는 0과 1이 나올 확률을 정확히 50%로 규정하는 것이 아니라, 1이 나올 확률을 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60% 등 무수히 많은 가능성으로 표현할 수 있다. 따라서 비트가 ‘안녕’이라는 정보를 ‘1100010101001000 1011000101010101’이라고 많은 비트로 표현했던 걸, 큐비트는 ‘1이 될 확률 78.2%’로 한번에 표현할 수 있다. 이렇게 정보의 양과 질이 달라지므로 복잡한 계산을 엄청나게 빠르게 수행할 수 있다. 또한 관측을 컴퓨터와 큐비트 사이에서만 하는게 아닌, 큐비트가 다른 큐비트를 관측하며 상호작용할 수 있는데, 이런걸 얽힘(Entanglement)이라 하며 이를 이용하면 병렬연산도 가능하다.

 

 이렇게 세밀한 확률 제어를 위해서는 매우 정밀한 반도체 소자 제어가 필요하다. 현재 IBM은 극저온에서 초전도체를 만들어 중첩을 정밀하게 제어하고 있다. 중첩을 만드는 방법은 다양하게 발전할 수 있으므로, 여기서는 더 자세히 다루지 않겠다.

 

 오늘은 향후 30년 이후에나 상용화될 양자컴퓨터에 대해 알아보았다. 50년 전 컴퓨터는 무겁고 거대한 진공관을 이용해 집 한 채 크기로 만들어졌다. 양자컴퓨터 장치도 앞으로 어떤 모양과 원리로 발전할지 아무도 모른다. 다만 큐비트라는 개념은 계속 유지될 것이다. 30년 후 젊은 친구들이 큐비트에 대해 이야기할 때, 두려워하지 말고 당당하게 외치자. 중첩. 얽힘.