양자역학과 관련된 지문은 수능 모의고사에 종종 등장해왔어요. 2018년 9월인 양자역학의 핵심 개념인 ‘중첩’과 ‘얽힘’에 대해 설명하고 양자컴퓨터의 등장 가능성을 다루는 지문이 나왔죠. 최근 전 세계적으로 양자컴퓨터에 관심이 높아지고 있는 만큼 기술 관련 비문학 지문이 수능에 출제될 가능성이 있습니다.
양자컴퓨터란 무엇일까요. 우리가 사용하는 일반적인 컴퓨터는 0과 1로 정보를 저장하고 처리하는 이진법 시스템을 사용합니다. 하지만 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit)라는 단위를 사용해 정보를 처리하는데, 이 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 ‘중첩’ 상태가 가능하죠. 예를 들어 미로를 찾는다고 해요. 일반 컴퓨터는 길을 하나하나씩 찾아가야 하지만 양자컴퓨터는 동시에 수많은 길을 탐색합니다. ‘얽힘’은 서로 멀리 떨어진 큐비트가 즉각적으로 영향을 주고받는 특성이죠. 데이터 공유 속도가 빨라지면서 연산 속도가 높아지는 구조입니다. 어떤 암호를 해독할 때 일반 컴퓨터로 수년이 걸릴 문제를 양자컴퓨터로는 수초 내에 해결할 수 있죠. 예를 들어 300자리 정수로 이루어진 1000비트의 숫자를 소인수 분해할 때, 기존 컴퓨터는 약 100만 년의 시간이 소요되지만, 양자컴퓨터는 성능에 따라 1초에서 1일 이내 계산이 가능해요.
데이터베이스 탐색 속도도 비교할 수 없을 정도로 빨라집니다. 인공지능 속도 또한 비약적으로 빨라진다는 뜻이죠. 구글은 자신들이 개발한 양자컴퓨터를 이용해 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸릴 연산을 200초 만에 해냈다고 발표하기도 했어요.
양자컴퓨터의 연산은 큐비트를 구현하는 것이 핵심입니다. 많은 기관에서 큐비트 생성 방법을 연구 중입니다. 크게 세 가지 방식으로 나뉘어요. 우선 초전도 방식은 금속 초전도체로 큐비트를 생성하는 방식입니다. 기술적으로 가장 앞서 있죠. 영하 273℃의 극저온 환경에서 작동할 수 있어요. 두 번째는 이온트랩 방식입니다. 레이저빔, 전자기장 등을 이용해 특정 지점에 포획한 개별 이온을 큐비트로 활용합니다. 큐비트 숫자를 늘리는 데 한계가 있죠. 마지막으로 빛을 구성하는 단위인 광자를 이용해 큐비트를 생성하는 방식입니다. 상온에서도 동작하지만, 광자를 다루는 게 어렵다는 문제가 있어요.
지금 수많은 대학과 기관에서 양자컴퓨터를 상용화할 다양한 기술을 경쟁적으로 개발하고 있습니다. 주요 국가들은 양자컴퓨터가 미래 국가경쟁력을 좌지우지할 핵심 기술이라고 보고 경쟁적으로 기술 육성에 나섰습니다. 한국도 2035년까지 3조원을 투자해 양자컴퓨터를 개발하겠다는 계획이죠.
양자컴퓨터는 아직 상용화하기 전인 만큼 기술적 한계도 있어요. 외부 환경의 영향을 많이 받죠. 이는 양자컴퓨터의 오류율을 높이는데요, 오류율을 낮춘 양자컴퓨터 개발이 가장 중요한 이유도 여기에 있습니다. 또 극저온 환경에서 작동해야 한다는 제약 때문에 유지 비용이 매우 많이 들어요. 극히 일부 연구소 등에서만 사용할 수 있다는 얘기입니다. 상용화까지도 꽤 많은 시간이 걸릴 예정이고요.
양자컴퓨터가 상용화되면 미래의 많은 분야가 바뀔 겁니다. 우선 양자컴퓨터가 빠른 연산 능력으로 최적화 모델을 찾으며 금융 분야의 혁신이 예상됩니다. 투자 포트폴리오를 최적화할 수 있죠. 바이오 분야에서도 변화가 예상됩니다. 신약 후보 물질을 탐색하는 시간이 단축되죠. AI 기술과 함께 사용한다면 신약 개발 속도를 비약적으로 줄일 수 있어요. 날씨도 더욱 정확해질 겁니다. 슈퍼컴퓨터를 통한 날씨 예측이 양자컴퓨터로 바뀌면 이젠 분 단위의 정확한 날씨 예보도 가능할 수 있죠.
AI 기술은 지금보다 더 빠르게 발전할 겁니다. 양자컴퓨터를 장착한 AI는 세상의 모든 지식을 빠르게 빨아들일 것이고, 지금보다 더 발전된 형태로 진화합니다. 이제 세상에 풀지 못하는 암호가 없어질 수도 있어요. 그에 따라 보안 기술도 발전해야 하는 과제를 안고 있죠. 이는 양자컴퓨터 개발과 양자 내성 암호 개발을 동시에 진행하는 이유이기도 합니다.
NIE포인트
1. 양자컴퓨터가 기존과 다른 건 무엇일까?
2. 현재 극복해야 할 기술은 어떤 게 있을까?
3. 양자컴퓨터가 가져올 미래 변화에 대해 알아보자.
