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처음 읽는 양자컴퓨터 이야기

[도서] 처음 읽는 양자컴퓨터 이야기

다케다 슌타로 저/전종훈 역/김재완 감수

내용 평점 4점

구성 평점 4점

양자 컴퓨터에서 느끼는 기대나 경외감은 아마도 우리가 양자역학이라는 흔하면서도 쉽게 접근할 수 없는 단어의 존재감에서 오는 것 같다. 우리가 여지껏 생각하는 가장 훌륭한 컴퓨터는 '슈퍼컴퓨터'로 명명되어지는 전문적인 기계였다. 일반컴퓨터로 해결할 수 없는 계산식이 어렵다는 걸 표현하기 위해 자주 쓰이는 표현은, '슈퍼컴퓨터'로도 몇 십년이 걸린다는 식이었다. IBM에서 2019년 1월부터 양자컴퓨터를 생산 판매하기 시작했다는 기사에서 우리는 어쩌면 양자컴퓨터가 생각보다 빨리 우리에게 일상화 될 지 모른다는 생각을 가지게 된다. 그런 이유에선지 저자는 책의 앞부분을 양자컴퓨터의 오해에 대해 해명하는 식으로 장을 할애하고 있다. 

 

가장 대표적인 오해는 양자 컴퓨터는 모든 계산을 다 빠르게 한다는 생각이다. 어떤 두 수를 반복적으로 사칙연산 해 답을 구하는 경우를 보자. 슈퍼컴퓨터는 CPU를 최대한 많이 동원해서 그 계산을 효율적으로 하는 형태므로 양자컴퓨터는 엄청난 속도로 더 빨리 한다고 생각을 할 것이다. 하지만 양자컴퓨터가 푸는 방식은 기존의 계산방식으로 더 빨리 더 많이 처리하는 방식이 아니라 전혀 다른 해법을 통해 사칙연산의 횟수를 줄이는 방식으로 그 접근법이 전혀 다르다. 100개의 문제를 풀 때 10명이 10문제씩 푸는 것이 병렬방식으로 기존의 컴퓨터 해법이다. 그러나 양자컴퓨터는 기존의 방식으로 더 빨리 해내는 것이 아니라 새로운 방법을 찾는 방법으로 문제해결 시간을 단축한다. 무한한 계산방식을 동시에 검토해서 최적의 계산법을 찾아 적용시키는 식이다. 또 한가지는 양자컴퓨터가 금방이라도 실용화될 것이라 생각한다는 점인데, 양자컴퓨터는 짧게는 20년에서 100년까지도 상용화가 어렵다고 보기도 한다. 

 

그렇다면 양자컴퓨터를 알아보기 전에 양자역학이 뭔지 알아야 한다. 우리가 일반적으로 아는 물리법칙을 고전역학이라고 하는데, 양자역학은 이런 고전역학으로 해석이 안되는 미시적인 세계에 적용되는 법칙을 말한다. 양자역학을 설명할 때 가장 많이 나오는 것이 이중슬릿 실험이다. 두개의 슬릿에 파동을 통과 시키면 서로 중첩하면서 서로 간섭현상이 일어나 벽면에는 여러 무늬가 번갈아 나타난다. 단순한 물질이라면 들어간 슬릿과 같은 모양의 형태만 벽면에 나타나지만 파동이라면 세로 무늬가 번갈아 나타난다는 것이 핵심이다. 문제는 전자를 통과시킬 때이다. 하나의 슬릿에 통과 시키면 당연히 그 형태는 벽면에 그 모양 그대로 나타난다. 두 개의 슬릿을 통과 시키면 중첩현상이 일어나면서 파동의 형태일때 나타나는 줄무늬가 나타난다. 이 현상이 특이한 점은 파동은 서로 중첩이 일어날 수 있지만 전자는 동시에 양쪽을 통과할 수 없으므로 이런 무늬가 나타서는 안 되기 때문이다. 결국 하나의 전자는 양쪽의 틈을 동시에 빠져나갔다는 말이 되므로 전자는 '입자이면서 동시에 파동'이라는 이상한 결론에 도달한다. 더 이상한 점은 이 파동이 벽면에 닿을 때면 다시 중첩의 형태가 깨지면서 어느 한곳에만 전자가 나타난다는 사실이다. 

 

양자컴퓨터는 이러한 '중첩'과 '간섭'의 현상을 이용해서 계산을 한다. 저자는 네가지 패턴이 있는 비밀번호를 해독하는 패턴을 예로 든다. 고전컴퓨터는 하나의 숫자를 조합하고 아니면 다음으로 넘어가지만, 양자컴퓨터는 중첩이 일어날 때와 마찬가지로 동시에 여러 조합을 검토한다. 고전컴퓨터는 트랜지스터에 전류를 흘리거나 흘리지 않는 방법으로 0과 1을 만들고 여기에 AND나 NOT을 이용해 다양한 조합을 가능하게 한다. 양자컴퓨터는 최소단위는 고전의 비트가 아니라 양자비트라 불리는데 이 비트는 과거 0 또는 1 중 하나만 사용하는 방법이 아니라 양자의 특성인 중첩을 이용하는 방식이다. 과거에는 00,01,10,11 네 가지의 패턴 중 하나만 표현할 수 있었지만 양자 비트는 네 가지 패턴을 중첩해서 동시에 갖는다. 양자비트가 하나 증가할 때마다 중첩할 수 있는 패턴은 두 배가 된다. 양자비트가 n개라면 2의 n제곱만큼의 경우의 수를 중첩해 갖는 방식이다. 이 책에는 양자비트가 정보를 나타내는 방법을 상세히 설명하며 연상방법을 소개하고 있다. 비전공자가 접하기에는 여전히 어려운 면이 많지만 최대한 독자를 배려해 소개하고 있다. 생각했던 것보다 아직 해결해야할 숙제가 많은 것이 조금 아쉽지만 일상으로 들어온다면 우리는 이전과는 다른 세상을 살게될 것이라고 예상해 본다. 일반인이 양자컴퓨터를 접할 때 입문서로 적절한 책인 것 같다. 

 

YES24 리뷰어클럽 서평단 자격으로 작성한 리뷰입니다.”

 
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