양자컴퓨팅과 슈뢰딩거의 고양이에 대해서 알아보자
여러분 양자컴퓨팅을 들어보셨나요? 현존하는 슈퍼컴퓨터보다 몇 백배 ~ 몇 천배 빠르다고합니다. 물론 양자컴퓨터가 현재 상용화되진 않았습니다만, 미국과 유럽을 중심으로 연구되어지고 있으며 특히 미국의 IBM을 중심으로 연구중입니다.
자 그렇다면 양자컴퓨팅이 무엇이길래 차세대 컴퓨터로 주목받고있을까요?
양자컴퓨팅이란?
여기서 말하는 양자컴퓨팅의 양자는 여러분들이 양자역학에서 알고있는 그 양자가 맞습니다. 기존 컴퓨터는 0과 1 두가지 숫자로 이루어진 2진법을 씁니다. 2진법을 쓰는 이유는 최초의 컴퓨터 애니악의 연산 방법때문입니다. 전구에 불이 안들어오면 0, 들어오면 1 등의 형태로 현존하는 문자와 숫자를 2진법으로 표현하였죠.아스키코드(ASCII)를 아시는 분들은 이해하실껍니다.
이게 발전하고 소자로 넘어오는데, 소자에 전류가 흐르면 1, 전류가 흐르지 않으면 0으로 표현하게됩니다. 양자컴퓨팅으로 넘어오면 기존 0과 1을 사용하는 컴퓨터가 아닌 0과 1을 동시에 공존시킬 수 있는 개념이 도입됩니다. (착각 하실 수 있는데 양자컴퓨터가 3진법, 4진법 등을 쓴다는 의미가 아닙니다.)
더 많은 데이터와 표현을 처리할 수 있습니다. 이 표현 방법이 하나 더 늘어났는데 단순한게 아닙니다. 현재 슈퍼컴퓨터가 수백년 걸려서 풀기힘든 문제를 양자컴퓨팅에서는 몇초이내로 풀 수 있기 때문이지요.
지금 이슈중인 암호화폐 채굴도 마찬가지입니다. 몇 백대의 서버를 동원해서 채굴하고있지만 양자컴퓨터로 채굴할경우는 정말 빠르게 채굴할 수 있습니다. 참고로 현재 암호화폐는 분산데이터를 통해 보안을 강력하게 만들었다고 주장하지만 양자컴퓨터가 상용화될 경우 암호화폐는 가장 먼저 사라질 해킹 타겟이라고합니다.
슈뢰딩거의 고양이
여러분 고양이를 좋아하시나요? 저는 고양이를 키우고 있는 집사입니다. 갑자기 고양이가 왜 나오나 하실 수 있는데, 양자컴퓨팅을 이해하기위해서는 슈뢰딩거의 고양이를 아셔야합니다.
1935년 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거는 양자역학의 불완전함을 증명하기위한 사고실험을 수행하였습니다.
만약 고양이 한마리가 청산가리가 든 유리병, 방사성물질 라듐, 방사능을 검출하는 가이거 계수기, 망치가 함께 상자에 들어있다고 가정합니다. 두번째는 상자는 외부세계와 차단되어있고, 밖에서 내부를 볼수도 없으며 외부에서 안을 볼 수 없습니다.
자 그럼 만약 라듐 핵이 붕괴하면서 가이거계수가가 라듐을 탐지할 것이며 망치가 유리병을 내려쳐 깨게돼 청산가리가 유출된다하면 청산가리를 마신 고양이는 죽을 것입니다.
그치만 라듐이 붕괴될 확률은 1시간 뒤 50%인데, 1시간 뒤 고양이가 살아있을지 죽어있을지 알 수 있나요? 위에서 언급한 것 처럼 상자는 외부세계와 차단되었으며 밖에서 내부를 볼 수 없으며 외부에서도 안을 볼 수 없다고했습니다.
우리는 상자를 직접 열어보기 전까진 고양이가 죽었을 수도, 살았을 수도 있습니다. 그리고 혹여나 고양이가 죽게되어도 그 상황을 볼 수 없습니다.
양자의 세계는 그러합니다.
우리가 양자의 세계를 들여다보기전까진 어떤 사건이 일어날지, 발생하고 결과가 도출될지 아무도 모르며 확률적으로밖에 계산할 수 없으며 서로 다른 상태가 공존하고 있다고 합니다.
우리가 사는 세계에 비해 양자의 세계는 매우 작습니다. 그렇기때문에 우리는 그 세계를 들여다보기 전까지 어떠한 ‘상태’를 정의하기 어렵습니다.
즉 우리는 슈뢰딩거 고양이 사고실험을 통해 어떠한 양자 세계를 관측하기전 까지 그 양자의 세계가 어떠한 상태일지 다양하게 해석이 가능하다는 이야기며, 실제관측하기전까진 모른다라는 것입니다.
만약 저 실험에서 고양이가 죽어있는 세계가 있을것이며 고양이가 살아있는 세계가 있을 것입니다. 그 두 세계가 공존할 수도 있는것이며 하나의 세계만 존재할 수도 있습니다.
언제까지? 우리가 직접 저 상자를 열어서 확인하기 전까지말입니다.
이러한 모든 상황은 얽힘(Entanglement), 중첩(Superposition) 등으로 표현하기도합니다.
양자 중첩은 양자가 측정되기 전까지 전자가 자신의 스핀 방향의 임의성을 유지하는 것을 의미하며
양자 얽힘은 얽혀있는 양자들 중 하나가 관측되면 거리에 무관하게 나머지 양자들도 고정된다는 의미입니다.
양자 컴퓨팅 원리
자 그럼 우리는 위에서 슈뢰딩거고양이와 양자 중첩, 양자 얽힘등을 알아보았습니다. 기존 컴퓨터는 0과 1의 상태를 갖는다고 하였습니다. 우리는 이걸 bit라고 말합니다. 양자컴퓨팅에서는 Qu Bit라고 불리우는 방식을 씁니다. Qu는 Quantum(양자)의 약자입니다.
기존 bit는 0과 1 둘중하나만 갖을 수 있지만 양자컴퓨팅에서 말하는 Qu Bit는 다릅니다. 0과 1을 동시에 갖을수도 있기 때문이지요.
양자컴퓨팅에서는 하나를 연산하지 않습니다. 중첩된 상태를 모두연산합니다.
즉 두개의 큐비트는 4개의 상태 00, 01, 10, 11을 동시에 갖을 수 있으며 3개의 큐비트가 얽혀있으면 2^3인 8개의 상태를 동시에 갖을 수 있습니다.
즉 기존 컴퓨터는 2개의 비트가 있다고치면 00, 01, 10, 11 중 하나만 갖어야하지만 양자컴퓨터는 2개의 큐비트가 있다고치면 00, 01, 10, 11 을 모두다 갖을 수 있습니다.
개념은 그러합니다. 그렇기 때문에 절대로 이해할 수 없죠^^ 연산이 어떻게 동시다발적으로 이뤄지냐 이게말이되는거냐 하기 때문이지요. 지금 이 글을 쓰는 저 또한 처음엔 그랬습니다. 내가아는 컴퓨터라고하면 00, 01, 10, 11을 순차적으로 대입해서 정답을 찾아가는 방식인데 양자 컴퓨팅에서는 00, 01, 10, 11을 모두다 때려박습니다. 기존 컴퓨터에선 4번의 시도를 통해 암호를 풀지만 양자컴퓨팅은 그냥 한번에 모두다 때려박기때문에 하나는 얻어걸리겠지요. 즉 1번의 시도를 통해 암호를 풀 수 있습니다.
bit는 8개가 보이면 byte가 됩니다. 만약 이게 Tera나 Giga Byte 수준이라면 최소 2^10개만큼 연산을 실행해야하지만 양자컴퓨팅에서는 10번만 실행하면 게임 끝입니다.
양자 컴퓨팅 전망
현재 인공지능과 빅데이터가 발전하고 있습니다. 그에따라 점점 지능이 필요하고 빠른 연산속도가 필요하고 있습니다. 이런 연산속도가 현재의 기술로도 구현이 불가능한 시점이오면 유일한 구원책이 바로 양자컴퓨터입니다. 그렇기 때문에 양자 컴퓨터의 주식이 있다면 전 꼭 사겠습니다.
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