양자컴퓨터란? : 아이온큐 투자전에 큐비트 쉽게 이해해보자

여러분 요즘 양자컴퓨터 대장주 아이온큐를 비롯한 관련주들 때문에 고민이 참 많으시죠?

최근 엔비디아 ceo 젠슨황이 양자컴퓨터 상용화가 30년 이상 걸릴 것이라 인터뷰하여 quantum computer 대장주 '아이온큐'를 비롯한 관련주들이 주가가 40% 이상 급락하여 주식시장에 피바람이 불고 있습니다

 

근데 대체 이 '양자컴퓨터'는 무엇일까요? 어떤 원리에서 작동된다는 것이죠? 주식시장이 앞날을 알 수 없을 정도로 요동치는 가운데, 양자컴퓨터가 AI와 더불어 앞으로 계속 '주도주'가 될 것 같긴 한데, 정말 믿고 계속 묻어둬도 될만한 가치가 있는 기술인지? 불안한 마음이 드는 것은 사실입니다. 아무래도 손실위험에 대한 불안의 감정에서 보호받기 위해 지식의 갑주가 필요해 보입니다

 

이 컴퓨터의 창시자는 천재 물리학자 '리처드 파인만' 박사로써, 이론적으로 제대로 구현되기만 한다면 현존하는 최고성능의 슈퍼컴퓨터가 약 150년에 걸쳐 계산하는 문제를 단 4분만에 풀게 된다고 합니다

실제로 2019년 구글이 처음으로 만든 '시카모어'는 53개의 q비트로 슈퍼컴퓨터가 1만 년 동안 계산할 문제를 200초 만에 해내고 말았습니다. 한마디로 일반적인 컴퓨터보다 약 1억 배 이상 빠른 속도로 연산을 처리할 수 있는 미래형 컴퓨터 인 셈이죠

정말 무서운 성능입니다. 이러한 양자와 슈퍼를 구분하는것은 바로 작동하는 방식이 다르기때문인데요

 

 

큐비트 : 양자컴퓨터와 일반 컴퓨터를 구분하는 방식

 

q비트는 기존의 컴퓨터의 비트와 비슷하면서 아주 큰 차이를 나타내는 방식입니다

일반적으로 컴퓨터에서 정보를 처리할 때 0 또는 1로 구분하는 이진법 기반의 bit를 사용합니다. 예를 들어, 비트 0은 "꺼짐", 비트 1은 "켜짐" 같은 방식이죠. 하지만 큐비트는 좀 다릅니다. q비트는 양자역학의 기본원리에 따라 0이면서 동시에 1일 수 있기 때문입니다. 마치 두 가지 상태가 동시에 존재하는 것처럼요

결과적으로 'quantum computer'은 소립자의 중첩과, 확률원리를 이용한 또 다른 중첩결과의 도출이라고 볼 수 있습니다

 

따라서 양자컴퓨터를 다루는 빅테크들이 가장 중요하게 생각하는 기술은 기본 연산 단위인 q비트를 얼마나 안정적으로 구현할 수가 있는지 여부와 오류 없는 연산을 수행할 수 있는지가 관건입니다. 하지만 미시세계에서 소립자들은 외부환경의 영향을 많이 받기 때문에 오류일이 매우 높죠. 1년 전의 챗지피티는 사람이 일일이 탈고라도 할 수 있었는데, 양자상태는 복제할 수 없기 때문에 오류를 수정할 수도 없습니다. 아무래도 오류율이 많으면 신뢰할 수 없고, 신뢰할 수 없기 때문에 상용화할 수 없는 상황인 거죠

 

양자컴퓨터-큐비트-양자중첩

 

 

 

q비트 원리 : 양자중첩과 양자 얽힘

 

① 양자중첩이란?

미시세계의 기본원리인 양자중첩을 이해하기 위해서는 기존의 거시세계에서 갖고 있던 사고방식을 어느 정도 내려놔야 합니다

기존의 상식이 통하지 않는 세계이기 때문이죠

예를 들어 우리가 살고 있는 거시세계에서 A라는 데이터는 '이곳'과 '저곳' 한 군데에서만 존재할 수 있습니다. 만약에 '이곳'에 있으면 '저곳'에 없을 확률이 100%죠. 하지만 미시세계에서는 이곳과 저곳에 동시에 존재할 수도 있다는 것입니다 단지 그 확률이 10% 정도 될 뿐이지만요. 이러한 '사실중첩'과 같은 현상을 양자중첩(superposition)이라고 합니다

기존의 물리세계관과 너무 이질적이라 상상하거나 시각화하기도 쉽지 않습니다. 그냥 대충 개념만 알아두세요

 

 

정리하면 큐비트는 0,1 따로 노는 게 아니라 00,11,10 이런 식으로 상태값이 중첩되기 때문에 일반적인 비트와 비교했을 때 압도적인 정보저장이 가능해집니다. 그래서 일반컴퓨터대비 한 번에 수제곱 더 많은 정보를 처리할 수 있는 거예요

 

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② 양자 얽힘이란?

양자역학은 매우 난해하고 복잡하지만 그 본질은 결국 소립자들의 상호작용입니다

우선 양자 얽힘을 거시적으로 이해하기 위해서 아래글을 읽어보시는 것을 추천합니다

 

동양철학 음양원리

 

 

음양오행 이론 한방에 이해하기

 

 

진공상태에서 +소립자와 -반입자가 끊임없이 동시에 창조되고 쌍소멸 되어 에너지가 요동치는 '양자요동' 현상에 대해서 알 수 있듯이 미시세계에서 큐비트끼리는 서로 얽히게 됩니다.  +,-속성이기 때문에 그래요. 예를 들어 A q비트가 10이라면 B q비트는 자동으로 00이 됩니다(그 반대도 마찬가지) 양자의 영역에서 이 연결은 서로 아주 멀리 떨어져있다한들 동일하겠죠

즉 지구에 있는 A 큐비트의 상태값을 바꾸면 안드로 메다로가 있는 b의 큐비트의 상태값이 즉시영향을 받는다는 것을 알 수 있습니다

 

이런 현상을 응용하면 서로 다른 큐비트들이 연결되어, 하나의 상태를 알면 다른 상태도 알 수 있게 됩니다. 따라서 양자컴퓨터는 소립자들이 얽히는 성질을 이용하여 기존의 단순논리회로 직렬방식보다 몇 차원 퀀텀점프돼서 병렬적으로 수많은 연산을 동시에 처리할 수 있는 잠재력을 가질 수 있게 됩니다

 

양자얽힘

 

이러한 잠재력은 소인수분해 알고리즘 같은 무한에 가까운 정보를 압도적인 속도로 처리할 수 있게 되고, 고도의 초첨단분야인 우주산업이나, 생명공학, 가상화폐 같은 소인수분해를 통한 암호해독 같은 분야에 사용되리라 예상됩니다

 

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양자컴퓨터는 필연적 결과 : 어차피 계속 발전하게 될 수밖에 없다

 

컴퓨터가 발전했던 과거를 돌이켜보면 트랜지스터가 밀리, 마이크로, 나노단위로 계속 소형화되며 점점 집적도가 높아지는 것을 알 수 있습니다. 트랜지스터가 많아질수록 연산속도가 빨라지고 에너지 효율이 급격하게 증가하기 때문입니다

 

큐비트의 '0과 1이 동시에 존재한다'라는 개념이 기존의 사고방식과 대조했을 때 얼마나 말이 안 되는 현상이라 볼 수 있냐면, 예를 들어 '형광등 스위치를 반만 눌렀다'라는 개념보다 형광들을 켰다, 껐다 이 두 개뿐인 조건이 훨씬 단순하고 빠릅니다. 여태까지 이 외의 것은 없었죠. 스위치를 반만 눌렀다. 형광등이 희미하게 깜빡인다. 이러면 무조건 고장으로 인식했습니다

그래서 단순하게 트랜지스터를 최대한 작게 많이 반도체집에 밀어 넣으면 장땡이었죠. 그런데 이제 그 사이즈에 한계가 온 것이고요

 

거시세계에서 사람이 몸의 겉면의 둘러싸인 전자가 벽겉면의 전자의 반발하는 힘을 뚫고 벽을 지나갈 수는 없지만 미시세계에서 트랜지스터가 원자의 크기에 가까워진다면 파동의 성질을 지닌 전자가 스위치를 꺼놓았는데도 불구하고 멋대로 부도체나 절연체 같은 에너지장벽을 뚫고 지나가는 '양자터널링' 현상이 발생하겠죠

 

세상이 굉장히 빨리 변모하고 있기 때문에 사실 이것도 한참 전의 제기된 문제였습니다

두께가 10cm 전선이 10v의 전류를 버틴다 한들, 두께가 1cm인 전선이 1v를 견딜 수 있는 것은 아니니까요. 작은 영역으로 들어갈수록 물질이 버틸 수 있는 한계라는 것이 존재합니다. 결론적으로 갑자기 원시시대로 돌아가지 않는 이상 필연적으로 양자컴퓨터는 미래컴퓨터의 대안이 될 수밖에 없을 것 같네요

 

그래서 양자컴퓨터가 갑자기 주목받기 시작한 2024년 중순부터 2025년 현재에서 먼 미래까지 계속 양자컴퓨터가 '주도주'로 가리라 예상하는 거고요

그렇다면 젠슨황 한마디에 왜 갑자기 주식이 폭락했냐고 물어보실 수도 있는데, 기술은 중립적이지만 인간은 편향된 존재라는 것을 항상 염두에 두셔야 됩니다. 세력들의 움직임은 어쩔 수 없어요

 

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상용화 목전 : 큐비트 오류 수정만 해결된다면..

 

'양자중첩' 현상은 양날의 검입니다. q비트가 외부 환경에 민감해서 상태가 쉽게 변경될 수 있기 때문입니다. 이로 인해 오류율이 매우 높기 때문에, 양자컴퓨터를 실용적으로 사용하려면 오류 수정 기술이 반드시 필요합니다

또한 소립자의 특성을 이용하기 위해서 '초천도체'가 필요하기 때문에 엄청난 대규모 시설투자를 요구합니다

 

'양자 얽힘'을 잘 유지하는 것만큼 큐비트를 잘 보호하고, 오류를 바로잡는 기술이 중요하죠. 또한, 큐비트의 수와 양자 게이트의 성능도 중요합니다. 얽힌 큐비트를 제대로 활용하려면 큐비트가 충분히 많고, 고신뢰도의 양자 게이트를 활용할 수 있어야 합니다

 

대략적으로 설명드린 '양자중첩'이나 '양자 얽힘'은  'quantum computer'를 이해하기 위해서 아주 기본 중의 기본사항이고, 이 이상의 오류수정 기술 같은 초저온환경이나 '디코히런스'같은 개념에 대해서는 박사급 인재들의 초전문영역이기 때문에 필자가 글을 발행하기는 어려울 것 같습니다. 아무튼 큐비트를 안정적이고 효율적으로 다루기 위해 앞으로 기타 기술들도 골고루 발전되어야 양자컴퓨터가 실제로 우리가 기대하는 성능을 발휘할 수 있을 것입니다. 모두들 성투하시고 경제적 문제에서 해방되시기를 바라며 글을 마칩니다