양자, 양자 역학, 양자 컴퓨터를 이해해보자

 

양자란 어떤 물질을 이루는 가장 작은 단위를 뜻한다.

비유를 하자면 당신이 어떤 물질을 아주 날카로운 칼로(물론 칼로는 절대 자를 수 없는 단위이다) 자르고, 자르고, 자르고 자르고, 또 잘라서 더이상 잘라지지 않을 때까지 잘랐을 때 이 세상에 어떤 것으로도 더이상 잘라지지 않는다면 그것이 양자이다.

 

그렇다면 역학이란 무엇일까?

역학은 물체의 운동에 관한 법칙을 연구하는 학문이다.

 

즉 양자 역학이란 위의 설명한 양자라는 단위가 어떻게 움직이는지를 연구하는 학문이다.

이 학문은 이 세계를 구성하는 대자연이 어떻게 구성되었고 우리 눈으로는 볼 수 없지만 우리를 구성하고 있는 그 물질들이 어떻게 움직이고 있는지를 연구하는 과정에서 태어났다.

 

그렇다면 왜 최근 이 양자라는 것이 왜 이슈가 되고 있는지, 그리고 구글, 엔비디아 같은 세계적인 IT 기업들이 양자 컴퓨터 라는 새로운 기술에 엄청난 투자를 하고 주식시장이 요동을 치는지 알아보자.

 

이 글은 CBS 김현정의 뉴스쇼 방송에 궤도 님이 나오셔서 양자에 대해 설명해 주신 내용을 인용하여 작성하였습니다.

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우선 역사상 가장 뛰어난 과학자 중 한명인 리처드 파인만도 양자역학을 강의하기에 앞서 양자역학을 완벽히 이해한 사람은 아무도 없을 것이다 라고 했던 일화는 너무나도 유명하다.

양자역학을 이해하기 힘든 가장 큰 이유는 현실세계에선 일어날 수 없는 일이기 때문이다.

 

예를 들어보자

 

(모든 예시는 이해를 돕기위한 말그대로의 예시일 뿐, 양자역학 자체를 설명하는데는 충분하지 못하기 때문에 예시로만 이해하고 넘어가는 것이 좋다)

 

당신이 양자로 총알을 만들어서 권총에 넣고 A 라는 사람을 향해 쏘았다.

그 순간 당신을 포함한 전세계 사람들이 양자 총알에 맞는다.

이것이 양자의 가장 기본이 되는 "중첩" 이라는 현상에 대한 비유이자 실제 움직임이다. 양자는 동시에 모든 상태의 값을 가지기 때문이다.

 

그런데 더욱 말이 안되는 일은 그 다음에 일어난다.

이번에는 당신이 누군가가 보는 앞에서(관측자) A를 향해 양자 총알을 쏘았다. 그랬더니 이번에는 정확하게 A 한 사람만 양자총알에 맞았다.

이것이 양자의 "중첩"이 "측정" 에 의해 "붕괴" 되는 것이다.

양자는 관측되는 순간 모든 상태의 값이 아닌 측정될 때 하나의 상태값만을 가지게 된다.

 

이해하지 못해도 괜찮다. 이해가 안 되는 것이 어찌보면 당연할 수 있다. 여기서 중요한 것은 양자란 동시에 모든 상태를 가지지만 관측되는 순간 한가지 상태 값을 가진다 라는 것만 알고 넘어가면 된다.

 

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그렇다면 양자 컴퓨터란 무엇이길래 IT 업계에서 이토록 뜨거운 감자가 된 것일까?

 

컴퓨터가 0과 1로 되어 있다는 얘기는 모든 사람이 익히 들어봐서 알고 있을 것이다.

그렇다면 양자컴퓨터는 일반 컴퓨터와 무엇이 다른점일까?

 

위의 중첩 현상을 컴퓨터에 적용시켜보자

일반 컴퓨터는 비트(bit)라는 단위를 쓴다.

1비트는 0 혹은 1의 값 중의 하나의 값을 가질 수 있다.

모든 계산을 우리가 쓰는 10진법이 아닌 0과 1을 사용해 이진법으로 계산을 한다.

 

그런데 양자 컴퓨터는 비트가 아닌 큐비트(Qubit) 라는 단위를 쓴다. (퀀텀(Quantum bit) 의 약자이다)

큐비트는 1비트가 0 또는 1 중 하나의 값을 가지는 게 아닌

0과1의 상태가 중첩되어 있다.

 

즉 2비트로 계산을 한다고 가정할 때

일반 컴퓨터는 모든 경우의 수를 계산하려면

0+0

0+1

1+0

1+1

총 네 번의 계산을 해야 모든 경우의 수를 구할 수 있지만

양자 컴퓨터의 경우

(0 or 1) + (0 or 1)

한번의 계산으로 4가지 경우의 수를 모두 구할 수 있는 것이다.

 

다시한번 비유를 사용해보자

일본의 유명한 애니메이션 캐릭터 나루토가 서울에서 뉴욕까지 가는 가장 빠른 거리를 구하고 싶다.

만약 일반 컴퓨터가 모든 경우의 수를 구하여 가장 짧은 시간을 측정한다고 했을 때

나루토는 모든 경로(ex. 걸어가거나, 수영해 가거나, 날아가거나, 비행기를 타고 가거나, 배를 타고 가거나, 차를 타고 가거나 등등등...)

를 직접 한번씩 왔다갔다 한 후 가장 짧게 걸린 시간을 측정하여 최단 거리를 도출한다.

 

그러나 양자 컴퓨터는 나루토가 그림자 분신술을 써서 무한대의 분신을 만들어 낸 후 동시에 출발을 시킨다.

그리고 여러번 왔다갔다 할 필요 없이(모든 경우의 수를 구할 필요 없이)

한 나루토가 가장 먼저 뉴욕에 도착을 하면 그 즉시 다른 분신들은 없어지고 뉴욕에 도착한 나루토가 진짜 나루토가 되며 그 즉시 최단 거리를 도출할 수 있는 것이다.

 

그렇기 때문에 일반 컴퓨터에 비해 엄청나게 빠른 계산을 할 수 있게 되는 것이다.

그리고 이 계산은 복잡해지면 복잡해질 수록 (예를들면 비트코인 채굴 같은 것을 할 때 어려운 수학 문제를 풀게될 때)

비트가 하나씩 늘어날 수록 2의 제곱승만큼 일반 컴퓨터에 비해 속도가 빨라질 수 있는 것이다.

그렇기 때문에 계산하는 단위가 커지면 커질수록 그 격차는 더욱 더 벌어지게 되는 것이다.

 

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물론 아직까지 상용화 단계에 이르는건 시기상조라는 분석이 지배적이다.

아주 조금만 불안정해도 큐비트의 중첩 상태가 깨지는 등의 문제를 포함해서 엄청난 전력과 자원을 사용하기 때문에 일반 사용자는 접근하기 쉽지 않다는 것도 사실이다.

 

그렇지만 양자컴퓨팅 기술이 발전하게 된다면, IT 업계는 인공지능이 상용화 되었을 때만큼의 큰 지각변동을 겪게 될 것이라는건

부정할 수 없는 사실이다.

 

양자컴퓨팅 기술이 발전하면 또 다시 이 세상이 어떻게 뒤바뀔지 기대가 되면서도 동시에 신중하게 접근할 필요가 있을 것 같다.

하지만 분명하게 다가 올 기술의 발전에 미리미리 대비하고 있는 자세 또한 중요할 것이다.