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양자 컴퓨터는 전통적인 디지털 컴퓨터와는 다른 원리로 작동하는 컴퓨터입니다. 양자 컴퓨터는 양자 메커닉스 원리를 이용하여 작동합니다. 이러한 원리를 이용하여 양자 컴퓨터는 놀라운 계산 능력을 발휘할 수 있습니다. 이론적으로 현존 최고의 슈퍼 컴퓨터가 수백 년이 걸려도 풀기 힘든 문제도 단 몇 초 만에 어마어마한 속도로 빠르게 풀 수 있을 것으로 전망되고 있습니다. 특히 이런 기술 때문에 군사적 이용 가치가 커서 미국 중국 패권에서도 주요 분야로 자리매김하고 있다. 실제로 미국 대통령 Joe Biden은 중국의 양자 기술만 콕 집어 제재를 가하라고 행정 명령하기도 했다.
양자 컴퓨터의 원리
큐빗의 원리는 원리상 양자역학적으로 중첩과 간섭을 구현할 수만 있으면 물리적 소자는 뭐든지 될 수 있는 것이 큐빗이라고 생각하기 쉬우나, 단순히 그러한 특정 양자계가 있다고 무조건 큐빗이라고 하지 않는다. 실제로 양자컴퓨터 연구 초창기 시절에 개념을 실험적으로 구현하는 데는 NMR 방식이 주로 사용되었으나 현재는 더 이상 사용되지 않는다.
양자컴퓨터의 큐빗으로 사용될 양자계는 DiVincenzo's criteria로 알려진 5가지 조건에 부합해야 한다.
1. 큐빗으로 기능하기 위한 충분한 이해도를 가지고 있으며, 확장 가능할 것.
2. 상태의 초기화(레지스터의 초기화)를 위해 명확한 기준점을 가질 것.
3. 충분히 긴 간섭 시간을 가질 것.
4. 필요한 양자 게이트들을 갖출 수 있을 것
5. 특정 큐빗을 대상으로 한 측정이 가능할 것
양자컴퓨터에 대해 알려져 있는 오해는 양자컴퓨터는 일종의 병렬 계산을 할 수 있어서 (양자 중첩으로) 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 연산이 가능하다고 생각하는 것이다. 0과 1이라는 비트 대신에, 0이라는 상태와 1이라는 상태의 임의의 선형 결합이 가능하다는 양자역학적 특성을 보면 그 설명이 자연스러운 듯이 느껴지기도 한다. 또한 일반적으로 양자컴퓨터에 대한 대중적인 설명을 할 때 거의 예외 없이 그런 설명이 나온다. 하지만 이는 올바른 설명이 아니다. 만일 정말로 그렇다면 병렬 계산에 의해 임의의 NP 문제는 효율적으로 풀릴 수 있으므로 양자 컴퓨터는 임의의 NP 문제를 효율적으로 풀 수 있어야 할 텐데, 아마도 그렇지 않을 것임을 시사하는 증거들이 있기 때문이다. 흔히 양자컴퓨터에 대해 알려져 있는 오해는, 양자컴퓨터는 일종의 병렬 계산을 할 수 있어서 (양자 중첩으로) 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 연산이 가능하다고 생각하는 것이다. 0과 1이라는 비트 대신에, 0이라는 상태와 1이라는 상태의 임의의 선형 결합이 가능하다는 양자역학적 특성을 보면 그 설명이 자연스러운 듯이 느껴지기도 한다. 또한 일반적으로 양자컴퓨터에 대한 대중적인 설명을 할 때 거의 예외 없이 그런 설명이 나온다. 하지만 이는 올바른 설명이 아니다. 만일 정말로 그렇다면, 병렬 계산에 의해 임의의 NP 문제는 효율적으로 풀릴 수 있으므로 양자 컴퓨터는 임의의 NP 문제를 효율적으로 풀 수 있어야 할 텐데, 아마도 그렇지 않을 것임을 시사하는 증거들이 있기 때문이다.
실용화의 가능성
아직까지는 일상에서 쉽게 활용할 정도로 실용화되기엔 많은 시간이 남았다고 할 수 있다. 근본적인 이유는 일단 현재 인류가 가진 기술로는 양자를 효과적으로 통제하기 어렵다는 것이다. 현재의 기술로는 양자로 구성되는 큐비트를 충분한 시간 동안 유지시킬 수가 없고, 외부 환경의 경미한 영향에 의해 큐비트가 변형되는 것을 막을 수가 없다. 일단 IBM이 만드는 범용 양자컴퓨터의 프로세서나 D-WAVE가 만드는 양자 어닐링 컴퓨터의 프로세서는, 큐비트를 최대한 오랜 시간 동안 유지시키기 위해 절대영도에 근접한 극저온 + 진공상태에서 전기 저항이 0이 되는 초전도체를 주재료로 만드는데 이로 인해 제조단가가 무지막지하게 올라가고 작동 시에는 초전도 상태를 유지해야 하므로 우주환경을 조성할 수 있는 진공 냉각장치가 요구되기 때문에 운용 비용도 상당히 비싸다. 큐비트가 외부 환경에 의해 영향을 받는 것을 차단하기 위해 고도의 방음, 차진 설비를 두어야 하기 때문에 컴퓨터의 부피도 매우 크다. 또한, 현재는 큐비트를 고도로 집적시킬 수 있는 기술이 아예 없기 때문에 아주 제한된 수준의 컴퓨팅 성능만을 이끌어 낼 수 있는 것으로 알려져 있다.
상용제품개발
양자컴퓨터에 대한 연구는 미국이나 유럽, 중국과 일본 등을 중심으로 연구되고 있는 것으로는 알려져 있다. 연구 현황이 잘 알려지고 있지는 않지만 IBM이나 인텔, 마이크로소프트, 구글 등 기존 컴퓨터 회사에서도 많은 인력을 동원하여 양자컴퓨터를 연구하고 있다고 한다. 2011년 5월 11일, 캐나다의 D-Wave Systems에서 128 큐비트 프로세스가 장착된 세계최초의 상용화 양자컴퓨터인 D-Wave One을 내놓았으며 5월 20일 1000만 달러의 가격으로 시장에 내놓았다.
D-Wave One 은 범용 양자 컴퓨터는 아니며, Quantum Annealing이라는 특정한 양자 알고리즘에 특화된 하드웨어를 갖고 있다. 2013년 NASA와 구글이 공동으로 설립할 인공지능 연구소에서 D-Wave 2를 구매할 계획이라고 밝혔다.
이후 D 웨이브는 D 웨이브 1의 후속으로 512개의 큐비트를 사용하는 D 웨이브 2(D-WAVE 2)를 출시했는데 구글이 이를 구입했다. D-Wave 2는 머신러닝과 음성인식, 자연어 처리를 위해 방대한 데이터를 분석할 수 있고, 싱글코어 칩을 활용하는 일반 컴퓨터보다 1억 배 이상 빠른 속도로 처리할 수 있는 것으로 알려졌다. 앞으로 100 큐비트 정도 되는 양자컴퓨터가 등장한다면 전 세계의 모든 하드드라이브의 데이터 저장용량을 가볍게 능가하게 될 것이다.