【대전=코리아플러스】 세상은 지속적으로 진화하고 있습니다. 그 진화의 한 축으로 떠오르는 것이 컴퓨터, 과학, 물리학, 수학 등 여러분야로 이루어진 양자 컴퓨팅(Quantum Computing)입니다. '양자 컴퓨팅'은 미래의 열쇠와 같습니다. 이 혁신적인 기술은 기존의 컴퓨팅과는 완전히 다른 원리로 작동하며, 우리의 일상과 과학 연구에 혁명을 가져올 것으로 기대되고 있습니다.
양자(Quantum)에서 전자의 크기는 0.1나노미터로 1M의 1/100억인 나노미터의 세계입니다. 양자 컴퓨터는 특정 문제를 해결하는 데에 있어 기존의 슈퍼 컴퓨터에 비해 엄청난 속도 향상을 제공할 수 있어, 몇천 년 혹은 1만 년이 걸릴 수 있는 문제를 몇 초에서 몇 분 안에 해결할 수 있는 가능성이 있습니다. 이는 양자 컴퓨팅의 주요 장점 중 하나로 간주됩니다.
양자컴퓨터는 양자 역학을 기반으로 하며 큐비트(Qubit)를 정보처리 단위로 사용합니다. 기존 비트(Bit)가 0과 1로만 나타내는 것과는 달리, 양자컴퓨터는 0과 1을 동시에 표현할 수 있는데, 이를 "중첩"이라고 합니다. 이 중첩된 상태로 인해 양자 컴퓨터는 동시에 다양한 계산을 빠르게 처리할 수 있습니다.
또한, 양자 비트들은 상호 연결되어 뒤섞여진 "얽힘" 상태를 만들 수 있습니다. 양자 비트들이 얽혀 있을 때, 하나의 양자 비트의 상태가 변하면 다른 양자 비트의 상태도 동시에 변하게 됩니다. 이런 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 복잡한 문제를 훨씬 효율적으로 처리할 수 있게 됩니다. 이처럼 양자컴퓨터의 양자 비트는 '중첩'과 '얽힘'이라는 특징으로 0과 1을 동시에 가질 수 있습니다.
기존 컴퓨터의 경우 3개의 비트로 표현 가능한 경우의 수는 000부터 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111까지 8가지인데, 하나의 경우의 수만 처리합니다. 양자컴퓨터는 이 8가지 경우의 수를 동시에 처리할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 놀라운 특성 중 하나인 '양자 우위(quantum supremacy)'는 특정 분야에서 양자 컴퓨터가 기존 클래식 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 보여주는 상태를 나타냅니다.
위 8가지 경우의 수는 5,500여년전 인류문화의 근간을 이루는 태호복희가 하도에서 얻은 팔괘와 같습니다. 111 건(乾: ☰ 하늘) 010 감(坎: ☵ 물) 100 간(艮: ☶ 산) 001 진(震: ☳ 우뢰) 110 손(巽: ☴ 바람) 101 리(離: ☲ 불) 000 곤(坤: ☷ 땅) 011 태(兌: ☱ 연못)이며, 이 팔괘(八卦)에서 건곤감리(乾坤坎離) 태극기가 나왔습니다. 우주는 수학적 구조로 이루어져 있어 우주의 질서를 ‘코드화’한 역(易)의 8×8=64괘는 대서사시입니다.
현대 공학에 사용되는 라이프니츠의 0과 1의 이진법 및 양자역학 기술이 바로 ‘역(易)’에서 나왔습니다. 덴마크의 노벨물리학상 수상자 닐스 보어의 상보성 원리인 “대립적인 것은 상호 보완적이다(CONTRARIA SUNT COMPLEMENTA)"는 태극의 음양(陰陽)과 일맥상통하며 아인슈타인의 상대성이론과 칼융이 역을 공부했다는 것도 놀라운 사실입니다. 양자역학을 이해하기 위해 서양에서는 역(易)으로부터 도움을 받고 있는데, 우리의 현실은 어떠한가요?
현대의 과학, 기술, 공학, 수학, 물리학을 전공하는 연구자라면 반드시 역(易)을 공부해야 하는 필요성을 깨닫게 되었습니다. 또한 기본적인 지식 역시 갖추어야 합니다. 저는 20대 청춘 시절 역(易)을 공부함으로써 우주의 질서와 계절, 자연에 대한 통찰력을 키우게 되었으며, 이로 인해 미래의 초능력 컴퓨터인 양자 컴퓨터의 원리를 이해할 수 있는 원동력을 얻게 되었습니다. 인류의 복잡한 사회문제를 해결함으로써 우리의 삶을 송두리째 바꿀 수 있는 '양자 컴퓨터'는 다양한 분야에서 혁신을 이뤄낼 수 있습니다.
양자 컴퓨팅은 화학 반응의 복잡성을 효과적으로 시뮬레이션하고 분석하여 신속한 물질 및 약물 디자인의 가능으로 새로운 약물 개발에 필요한 시간과 비용을 대폭 줄일 수 있을 것입니다. 이러한 이유로 양자컴퓨터는 기후위기 대응 및 탄소중립 시대에 혁신적인 영향을 줄 수 있습니다. 더욱 효율적인 화학 반응 시뮬레이션으로 친환경적인 물질 및 에너지 솔루션 개발을 촉진하며, 에너지 효율성을 높이고 온실가스 감축을 지원할 수 있을 것으로 기대됩니다.
또한, 양자 알고리즘은 암호 해독 분야에서도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 암호 해독 및 암호화 분야에서 양자 컴퓨팅의 발전은 기존의 암호화 방식을 근본적으로 도전하며, 암호 해독 가능성을 내포하고 있습니다. 그러나 양자 암호화 기술을 발전시키면 여러 분야에서 기존의 컴퓨팅보다 효율적으로 문제를 해결할 수 있는 가능성을 열어줄 수 있습니다.
양자 컴퓨터의 미래 적용 분야는 매우 다양합니다. 먼저, 방대한 양의 데이터를 활용하여 금융 데이터 분석을 통해 시장 변화를 예측하고 투자 전략을 결정할 수 있습니다. 또한, 바이오, 에너지, 환경, 기상 예측 및 머신 러닝 모델 훈련, 교통 물류와 같은 다양한 분야에서 양자 컴퓨터를 활용하여 최적 경로를 찾을 수 있습니다. 이는 효율적인 자원 분배와 환경 보호에 기여할 수 있는 중요한 응용 분야입니다.
더불어, 양자 컴퓨터는 인공 지능 분야에서도 큰 역할을 할 것으로 예상됩니다. 더 정교하고 복잡한 모델을 구현하여 더 나은 예측과 분석을 수행할 뿐만 아니라 기존의 문제에 대한 혁신적인 해결책을 찾을 수 있습니다. 이는 의료 진단, 자연 언어 처리, 이미지 분석 등 다양한 분야에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대됩니다. 양자 컴퓨터는 우리의 일상을 혁신하고 뒤집을 수 있는 가능성을 높이고 있습니다.
양자 컴퓨터는 이러한 분야에서 기존의 컴퓨팅 방식보다 뛰어난 성능과 효율성을 제공할 수 있어, 미래의 혁신과 발전에 큰 영향을 미칠 것으로 예측되고 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터의 발전에는 기술적인 도전과 어려움이 따릅니다. 양자 비트의 안정성 확보와 양자 오류의 제어 등 기술적인 발전이 필요합니다. 이러한 기술적 도전을 극복하지 않으면 양자 컴퓨터의 성능 향상은 어려울 것입니다.
이러한 도전에서 마틴 람 스웨덴 찰머스대 교수 연구팀은 양자컴퓨터로 계산하기 어려운 분자의 특성을 계산하는 데 성공했습니다. 양자컴퓨터는 오류를 내기 쉬운데, 슈퍼컴퓨터와 비교해 계산 결과의 오류를 보정하는 방식을 개발했습니다. 이 기술을 자체 개발한 양자컴퓨터에 적용한 결과, 양자 오류가 크게 개선되었고 작은 분자의 에너지 계산에 성공했습니다.
현재 IBM, MS, 인텔, 구글 등은 양자 컴퓨터 분야의 선두주자로 인정받고 있습니다. IBM은 퀀텀 네트워크를 구축하면서 시장을 주도하고 있고, 최근 양자컴퓨터 계산에 오류를 초래하는 '양자 노이즈'(quantum noise) 현상을 해결하였습니다. 127개의 초전도 큐비트로 이뤄진 '이글(Eagle)' 양자 프로세서로 자기적인 물질을 구성하는 '스핀'의 동역학을 시뮬레이션하여 물리적 특성을 정확하게 계산하면서 양자유용성을 입증했다고 합니다.
양자 컴퓨팅은 현재까지의 기술 혁신을 뛰어넘어서 미래의 초능력 컴퓨터로 우리를 이끌 것으로 기대됩니다. 미래의 가능성을 염두에 두고 현대 반도체의 한계를 넘기 위한 기술패권을 향해 도전하는 기업들이 있기에 오류를 완전히 수정한 양자 컴퓨팅의 발전을 기대해보는 것은 옳은 선택일 것입니다. 이 작은 반짝임이 큰 혁명의 시작일지도 모릅니다.
