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[퀀텀 컴퓨팅 들여다보기 (2)] 53-큐비트 퀀텀 컴퓨터, 9007조1992억개 정보를 병렬 계산할 수 있다
최봉 산업경제 전문기자
입력 : 2023.08.23 00:30
ㅣ 수정 : 2023.08.23 00:30
[기사요약]
퀀텀 컴퓨팅의 핵심 개념 ‘중첩(superposition)’ 이해해야..
‘슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)’, 중첩 개념 설명하는 대표 실험
중첩은 0과 1의 수학적 조합, 양자 알고리즘은 중첩의 큐비트 조합 사용하여 계산 단축할 수 있어..
구글의 53-큐비트 퀀텀 컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’, 9007조1992억개 정보 병렬 계산 가능
퀀텀 컴퓨팅(Quantum computing)은 양자 기술(Quantum technology)의 대표주자로 인공지능(AI)과 함께 최근 글로벌 시장에서 가장 각광받고 있는 분야다. 디지털 컴퓨팅이 주도하는 기존 컴퓨터의 패러다임을 완전히 바꿀 것으로 예상되는 퀀텀 컴퓨팅은 기존 컴퓨터가 풀기 어려운 미지의 영역까지도 해결의 실마리를 제공하는 막강 영향력을 행사할 것으로 기대한다. 이에 따라 우리 정부도 양자 기술의 선도국가가 되기 위해 노력하고 있다. 그렇다면 퀀텀 컴퓨팅 ‘격전지’에서는 어떤 일이 벌어지고 있는지 따라가 보기로 한다. <편집자 주>
[뉴스투데이=최봉 산업경제 전문기자] 퀀텀 컴퓨팅은 양자이론(quantum theory) 또는 양자역학(quantum mechanics)의 원리에 기반한 기술 개발에 중점을 둔 컴퓨터 과학 분야로, ‘양자 물리학의 고유한 동작’을 사용하여 기존 컴퓨팅으로는 너무 복잡해서 풀기 어려운 문제를 해결한다고 지난 편(본 시리즈 (1)편, 2023.8.16)에서 언급했었다.
퀀텀 컴퓨팅 그리고 그 작동 방식을 이해하려면 지난 편에서 간략하게 소개했던 큐비트(Qubit)를 비롯하여 몇 가지 개념에 대한 이해가 필요하다.
• ‘중첩(superposition)’, 퀀텀 컴퓨팅의 핵심 개념
큐비트는 퀀텀 컴퓨팅의 기본 정보 단위로, 전통적인 컴퓨팅의 이진(0, 1) 비트와 비슷하다.
큐비트는 ‘중첩(superposition)’을 사용하여 한 번에 여러 상태에 있는 것이 가능하다. 중첩이란 모든 구성이 동시에 존재하는 큐비트를 의미한다.
중첩의 개념을 이해하고 이를 설명하기 위해 사람들은 ‘슈뢰딩거의 고양이(Schrödinger's cat)’를 제시하기도 하고, 또는 동전을 던지는 동안 동전이 공중에 떠 있는 순간을 지적하기도 한다.
먼저, 동전 던지기를 생각해보자. 동전을 던지고 바닥에 떨어졌을 때(또는 손으로 잡았을 때) 앞면 또는 뒷면이 나올 것이다(각각 50%의 확률). 그런데 동전이 여전히 공중에서 회전하는 동안 이는 앞면도 뒷면도 아니다.
다음으로, ‘슈뢰딩거의 고양이’는 양자역학의 불완전성을 비판하기 위해 1935년 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrödinger)가 고안한 사고실험(思考實驗)이다.
완전히 밀폐된, 불투명한 상자 안에 고양이와 청산가리가 담긴 병이 들어있고, 청산가리가 담긴 병은 망치와, 망치는 가이거 계수기와 연결되어 있다.
계수기에 방사선이 감지되면 망치를 내려치는 장치가 작동하여 병이 깨지고, 고양이는 청산가리에 중독되어 죽고 만다. 가이거 계수기 위에는 1시간에 절반의 확률로 핵이 붕괴하여 알파선을 방출하는 우라늄 입자가 놓여 있다.
1시간 뒤 상자를 열었을 때, 고양이는 어떤 상태로 존재하는가? 살아있는 상태인가, 혹은 죽어있는 상태인가?
사실, 이 실험은 원래 양자역학의 피상적인 면을 비판하기 위해 만들어졌는데, 아이러니하게도 시간이 지나자 양자역학을 묘사하는 가장 대표적인 사고실험이 되어버렸다(나무위키 내용 참조).
• 퀀텀 컴퓨터, 큐비트 활용하여 방대한 양의 병렬 계산 실행 가능
이진 비트는 0 또는 1만 나타낼 수 있는 반면, 큐비트는 0 또는 1일 수 있으며 두 상태의 중첩에서 0과 1의 일부일 수도 있다. 즉, 양자 중첩은 양자 입자가 가능한 모든 상태의 조합인 모드를 의미한다.
양자컴퓨터가 각 입자를 측정하고 관찰하는 동안 입자는 계속 요동한다. 따라서 입자가 ‘관측’되기 전까지는 상태가 결정돼 있지 않고 중첩돼 있다고 본다.
예를 들어, 비트가 2개 있다고 했을 때 나타낼 수 있는 경우의 수는 (0,0), (1,0), (0,1), (1,1) 4가지이다. 기존의 디지털 비트는 이 가운데 1개만 표현하고 사용하지만 퀀텀비트는 4개를 동시에 사용(큐비트 2개)할 수 있다.
비트수가 적을 때는 경우의 수가 많지 않지만 비트수가 늘어나면 경우의 수는 기하급수적으로 늘어난다.
큐비트는 0과 1의 중첩을 취하므로 이는 퀀텀 컴퓨터가 수행할 수 있는 계산 수가 2^n(2의 n승)임을 의미한다(여기서 n은 사용된 큐비트 수).
기존 컴퓨터는 1개로만 표현되는 디지털 비트를 순차적으로 사용하여 작업을 수행(직렬방식)하는데 반해 퀀텀 컴퓨터는 동시에 표현할 수 있는 큐비트를 활용하여 방대한 양의 병렬 계산을 실행할 수 있다.
2019년 구글이 발표했던 퀀텀 컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’가 53-큐비트인 것으로 알려져 있는데, 이는 2^53(9007조1992억)개의 정보(경우의 수)를 병렬 계산할 수 있음을 의미한다. 그러기에 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 1만년 걸리는 계산을 200초 만에 수행했다고 주장했을 것이다.
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