모든 암호 털리는 Q데이 온다? 양자컴, 당신이 몰랐던 사실 [양자 충돌③]

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그래서 큐비트가 뭐라고?

팩플이 풀어주는 양자기술 워크북 [양자 충돌③]

QPU, 큐비트, QKD…. 양자 기업이 뜬다는데, 관련 기사를 읽어 보면 도대체 뭔 소린지 모르겠다고? 인공지능(AI)에 이제 좀 익숙해졌더니, 다시 ‘양자기술이 미래’라며 알 수 없는 용어가 가득한 뉴스가 쏟아진다. 그래서 팩플이 정리해 봤다. 어렵고 복잡해 보이는 양자 용어들을 문과생이어도, 과학 비전공자여도 이해할 수 있다. 이 워크북 하나로 ‘양자 시대’ 준비 가능! QPU가 뭐고, 큐비트가 왜 특별하며, QKD는 왜 보안의 미래로 불리는지. 큐에라 같은 회사가 소프트뱅크에 투자를 받고, 아이온큐와 리게티컴퓨팅은 증시에서 기업 가치가 로켓 상승 중인 이유까지. 이거 하나만 보면, 양자 뉴스 나올 때 “어? 그거 나 알아” 하고 자신감 ‘뿜뿜’ 가능!

1. 얽힘과 중첩이 뭐길래

사람 사이의 인연도 보이지 않는 끈으로 얽히는 걸로 시작되듯, 양자기술의 원리가 되는 양자역학 첫 단계에도 ‘얽힘’이 있다. 양자에서 얽힘이란 A의 상태가 결정되면 B의 상태도 ‘동시에’ 결정된다는 뜻. 얽힘이 왜 중요할까. 2개의 얽힌 큐비트는 네 가지 상태(00, 01, 10, 11)를 동시에 표현한다. ‘병렬식 정보처리’라고 한다. 양자컴의 정보 처리 속도가 고전컴보다 기하급수적으로 빠른 이유로 꼽힌다.

두 번째로 알아야 할 건 중첩이다. 0과 1이 동시에 존재하는 상태를 뜻한다. 고전컴퓨터의 비트는 0 아니면 1 중 하나만 가질 수 있지만, 양자컴퓨터(양자컴)의 큐비트는 중첩을 통해 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 이로 인해 큐비트가 늘어날수록 표현할 수 있는 상태가 기하급수적으로 커진다. 한 번에 ‘하나’가 아니라 ‘둘’을 처리할 수 있다고 생각하면 된다. 중첩 덕분에 여러 계산을 동시에 수행할 수 있는 셈.

2. 큐비트? 0이면서 1

양자컴의 정보 단위. 큐비트(Qubit)는 전자·광자와 같은 아주 작은 입자를 이용해 만든다. 종합하면 큐비트는 ‘정보 단위’면서도 실제 존재하는 ‘물리량’이다. 큐비트는 관측하기 전까지는 0과 1의 확률 상태로 있다가 관측하는 순간 확정된 값을 보여준다. 반면에 고전 컴퓨터의 정보 단위인 비트는 항상 0이나 1 중 하나로 명확히 정해져 있다.

😎한 걸음 더: 물리 큐비트와 논리 큐비트

물리 큐비트는 일반적으로 언급되는 큐비트다. 물리적으로 존재하는 입자 하나하나를 의미한다. 논리 큐비트는 실제로 양자 알고리즘을 실행하기 위해 여러 개의 물리 큐비트를 묶은 것을 말한다. 논리 큐비트를 만드는 건 양자 오류를 줄이기 위해서다. 논리 큐비트로 묶으면 하나의 물리 큐비트에 오류가 나더라도 다른 물리 큐비트들에 있는 정보로 복구할 수 있다.

3. QPU, 양자컴퓨터의 두뇌

양자컴퓨터의 두뇌로 불리는 QPU(quantum processing unit)는 양자 정보를 처리하는 장치, 즉 양자처리장치를 의미한다. GPU(그래픽처리장치) 이후 차세대 칩으로 꼽힌다. QPU를 구현하는 방식은 초전도, 이온트랩, 중성원자, 광자 등 4개가 있다. 초전도 방식은 전자회로를 극저온으로 냉각해 전류가 저항 없이 흐르도록 하고, 이 회로에 양자 상태를 저장한다. 연산 속도가 빠르고 기존 반도체 공정과 유사하다는 장점이 있지만, 제어가 까다롭다. 이온트랩 방식은 전기를 띠는 이온을 공중에 띄우고, 레이저로 정밀하게 제어하는 방식이다. 안정성은 뛰어나지만 연산 속도는 느린 편이다. 중성원자 방식은 전기를 띠지 않는 중성원자를 레이저로 배열해 큐비트로 활용한다. 큐비트의 규모를 키울 수 있는 확장성이 강점이지만, 아직 정밀 제어 기술이 부족하다. 광자 방식은 빛(광자)을 큐비트로 사용한다. 실온에서도 작동 가능하고, 통신과 결합하기 쉽다. 그러나 초전도나 이온트랩에 비해 광자 방식은 아직 초기 단계고 광자 제어가 쉽지 않다는 문제가 있다.