양자컴퓨터는 현재 IT 분야에서 가장 주목받는 기술 중 하나입니다. 양자컴퓨터는 전통적인 디지털 컴퓨터와는 다르게 양자역학의 원리를 기반으로 하며, 양자 비트라고 불리는 새로운 형태의 비트를 사용하여 정보를 처리합니다. 이번 IT트렌드에서는 양자컴퓨터의 개념, 구성, 기대효과, 그리고 현재의 발전 상황에 대해 자세히 알아보겠습니다.

양자 비트(Qubit)의 특별한 세계

양자 비트는 양자역학의 특성을 기반으로 동작합니다. 기존의 디지털 컴퓨터에서 사용하는 비트가 0 또는 1의 두 가지 상태만을 가진 반면, 양자 비트는 0과 1의 동시 존재나 특수한 양자 상태를 가질 수 있습니다. 이러한 특성은 양자컴퓨터가 동시에 여러 계산을 처리할 수 있게 해주어, 복잡한 문제 해결에 유리하게 작용합니다.

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 않습니다. 실제로 양자컴퓨터 연구 초창기 시절에 개념을 실험적으로 구현하는 데는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance) 방식이 주로 사용되었으나 현재는 더 이상 사용되지 않습니다.

양자컴퓨터의 큐빗으로 사용될 양자계는 DiVincenzo's criteria로 알려진 다음의 5가지 조건에 부합해야 합니다.

양자계의 5가지 조건

1) 큐빗으로 기능하기 위한 충분한 이해도를 가지고 있으며, 확장 가능할 것

2) 상태의 초기화(레지스터의 초기화)를 위해 명확한 기준점을 가질 것

3) 필요한 기능들을 수행할 만큼 충분히 긴 간섭 시간을 가질 것

4) 필요한 양자 게이트들을 갖출 수 있을 것

5) 특정 큐빗을 대상으로 한 측정이 가능할 것

양자컴퓨터의 동작 원리와 구성

양자컴퓨터는 주로 양자 비트, 양자 게이트, 양자 레지스터, 양자 메모리 등으로 구성되어 있습니다. 이러한 구성은 양자역학의 원리를 활용하여 복잡한 계산을 효과적으로 수행하며, 양자 비트 간의 얽힘(Entanglement)이라는 특수한 상태를 활용하여 정보를 처리합니다.

양자컴퓨터의 기대효과와 응용분야

양자컴퓨터는 다양한 분야에서 혁신을 가져올 것으로 기대됩니다. 우선 병렬 처리 능력에 주목할 필요가 있습니다. 양자컴퓨터는 여러 가지 가능성을 동시에 고려할 수 있어 최적화, 머신러닝, 분자 모델링 등 다양한 분야에서 기존 컴퓨터보다 효율적으로 작업을 수행할 수 있습니다.

또 암호 해독 가능성을 높일 수 있습니다. 양자컴퓨터는 현재 사용되는 암호화 방식을 뚫을 가능성이 있어, 보안 분야에서 새로운 도전과 기회를 제공합니다. 양자컴퓨터의 개발은 현재 다양한 기업, 연구소, 국가에서 활발하게 진행되고 있습니다. 양자컴퓨팅 분야에서의 경쟁은 기술 발전을 가속화시키고 있으며, 이로써 미래의 기술 혁신에 영향을 미칠 것으로 예상되고 있습니다.

양자컴퓨터의 발전 상황과 미래 전망

아직까지는 일상에서 쉽게 활용할 정도로 실용화되기엔 많은 시간이 남았다고 할 수 있습니다. 그 근본적인 이유는 일단 현재 인류가 가진 기술로는 양자를 효과적으로 통제하기 어렵다는 것입니다.  현재의 기술로는 양자로 구성되는 큐비트를 충분한 시간 동안 유지시킬 수가 없고, 외부 환경의 경미한 영향에 의해 큐비트가 변형되는 것을 막을 수가 없습니다.

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 올라가고 작동시에는 초전도 상태를 유지해야 하므로 우주환경을 조성할 수 있는 진공 냉각장치가 요구되기 때문에 운용 비용도 상당히 비쌉니다.

또, 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 있습니다.
 

정부의 양자컴퓨터 클라우드 서비스 발표

지난 2월 14일 정부가 올 하반기 국내에서 자체 개발한 20큐비트 ‘양자 컴퓨터 클라우드 서비스’를 개시한다고 밝혔습니다. 또 2026년 구축을 목표로 50큐비트 양자컴퓨터 개발에도 본격 착수할 것으로 발표했습니다. 장기적으로 2032년까지 1000큐비트 양자컴퓨터를 개발할 방침입니다. 특히 양자컴퓨터 기술 발전을 앞당기기 위해 하반기부터 클라우드 서비스 사업을 시작하는 등 30여개 후속대책을 연내 적극 추진하겠다고 의지를 강조한 바 우리나라의 양자컴퓨터 기술 발전이 기대됩니다.