안녕하세요. 훈하니 @hunhani입니다.

보다 쉽고 재미있게 전해드리고 싶은 마음이지만 제 글 솜씨가 부족한 탓에 내용을 접하실 때 다소 어렵게 받아들이시는 것 같습니다. 어려운 주제이지만 읽으면서 흥미를 느끼실 수 있도록 최선을 다하겠습니다.

지난 시간에는 양자 병렬성이 양자 통신 보안과 어떻게 관련되는지에 대하여 알아보는 시간을 가졌습니다.

Chapter 5. 양자 정보 세상을 위해 극복해야 할 기술적 난관에서는 양자 정보 세상을 실현하기 위해 딛고 일어서야 할 핵심 기술 요소들을 짚어보겠습니다.

간단 복습

큐비트! 양자 정보의 기본 단위

양자 정보의 기본 단위 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있다.

단 한 번의 연산으로 평균값을 찾아낸다!

수 천만 가지 경우의 연산을 통해 평균값을 알아내려는 경우 양자 병렬성을 지닌 큐비트를 이용하면 단 한 번의 연산으로 평균값을 손쉽게 찾아낼 수 있다.

양자 컴퓨터는 오답을 상쇄시키고 정답을 증폭시킬 수 있다.

큰 수의 소인수 분해와 같이 풀어야 할 문제 자체에 규칙성이 존재하여 상쇄를 가능하게 하는 구조들이 있는 경우 양자 알고리즘을 이용하면 고전적으로 알려진 최선의 알고리즘보다 지수적인 속도 향상 효과를 볼 수 있다.

우리가 양자 컴퓨터를 대하는 자세

양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터와 비교하여 그 적용분야나 성격에 큰 차이가 있으며 양자 컴퓨터가 개발되더라도 당장 우리가 사용하고 있는 일반 컴퓨터가 모두 무용지물이 되는 것이 아니라 각자의 기술적 효율성이 극대화되는 면에서 서로 돕고 경쟁하는 관계로 출발할 가능성이 크다.

양자 컴퓨터를 구현하기 위한 하드웨어 개발이 급선무다!

양자 정보 처리, 양자 통신, 양자 암호 등의 기술들은 기존의 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제들을 손쉽게 해결해주어 궁극적으로 인류가 양자 정보 시대로 나아가게끔 해줍니다. 이와 관련한 이론적인 연구는 현재까지 상당히 진척된 상태인데요. 가령, 현재 군사, 금융, 행정 보안 분야에서 널리 사용되는 큰 수의 소인수 분해를 이용한 암호 체계는 양자 컴퓨터가 손쉽게 파훼할 수 있는데, 이러한 큰 수의 소인수 분해 문제 외에도 데이터베이스 검색, 선형 방정식 풀이 등의 문제에서 양자 컴퓨터가 이를 효율적으로 해결할 수 있도록 하는 양자 알고리즘이 이미 개발되었답니다. 보다 다양한 문제에 대한 양자 알고리즘을 도출하는 것도 꼭 필요한 일이지만, 아무리 좋은 양자 알고리즘이 있다고 해도 이를 동작하기 위한 하드웨어가 뒷받침되어야 양자 컴퓨터를 구현할 수 있겠지요. 실험적으로도 매우 작은 수의 큐비트를 가지고 실제 양자 수치 계산을 수행하는 시도가 꾸준히 행해지고 있긴 하지만 아직 기술적으로 극복할 단계가 많습니다.

양자역학 특성 및 원리

입자와 파동의 이중성
불확정성
양자 중첩
양자 얽힘
양자 병렬성

핵심 기술 요소

양자 상태 생성
양자 상태 유지
양자 상태 제어
양자 상태 전송
양자 상태 측정
양자 알고리즘

관련 응용 기술

양자 프로세서: 큐비트를 생성, 유지, 제어, 전송, 측정하는 기술을 기반으로 정보를 연산, 처리, 제어, 가공하는 장치
양자 통신: 큐비트를 생성, 유지, 제어, 전송, 측정하는 기술을 기반으로 한 정보 송수신 및 네트워크 관리 체계
양자 중계기: 반도체 혹은 이온 포획 기술을 기반으로 물리적으로 한계가 있는 양자 얽힘 상태의 원격 전송 거리를 장거리로 확장하는 장치
양자 암호: 양자 암호화 프로토콜, 순수 난수 생성, 양자 신호 후처리, 고속 암호화 알고리즘 기술을 기반으로 한 복제 불가능하고 도청에 절대적으로 안전한 보안 체계
양자 저장 및 계측: 양자 시계, 양자 영상 전환 및 변조, 양자 위상 게이트, 양자 광 간섭 단층 촬영, 양자 리소그래피 기술을 기반으로 한 초정밀 또는 초고감도 저장 및 계측 체계

양자 컴퓨터는 양자 프로세서를 집적화(集積化)한 것이다.

먼저 미시 세계의 전자나 광자와 같은 양자들 간의 강한 상호 작용을 유도하여 얽힘 상태로 만들고 이를 잘 유지하고 제어하여 양자 정보의 기본 단위인 큐비트로써 제대로 동작할 수 있도록 해야 합니다. 모든 물질은 입자와 파동의 서로 다른 두 가지 성질을 갖는데 입자 성질이 강한 전자와 같은 양자는 상대적으로 전송은 쉽지만 연산이나 측정에서는 오류가 잦은 반면 파동 성질이 강한 광자와 같은 양자는 상대적으로 전송은 어려우나 연산이나 측정이 원활합니다. 이처럼 서로 성질이 상반되는 입자 혹은 파동 성격을 지닌 양자 중에서 잘 선택하여 해당 양자 여럿을 얽힘 상태로 만들고 다루어야 하는 과정은 말만 들어도 상당히 어려운 일이란 것을 알 수 있습니다. 위에서 정리한 핵심 응용 기술부터 관련 응용 기술까지 앞으로 나아갈 길은 멀지만 굴지의 쟁쟁한 IT 기업들과 최고의 명성을 자랑하는 연구소들이 서로 앞다투어 양자 컴퓨터 개발에 열을 올리고 있는 만큼 멀지 않은 미래에 유의미한 성과를 기대해봅니다.