[양자컴퓨터]이해가 불가능한 기계

양자컴퓨터 (출처: Statistics and DataScience)

양자 컴퓨터는 미시적인 양자의 세계에서 일어나는 법칙을 이용하여 자료를 처리하는 컴퓨터입니다.

양자 컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와는 작동원리가 완전히 다릅니다. 그것은 우리가 사는 세계의 법칙과 양자와 전자 같은 미시적인 세계의 법칙이 다르기 때문입니다.

 

양자세계의 법칙

양자 중첩

양자 중첩은 양자역학의 기본 원리입니다. 고전 물리학에서는 전자가 입자인지 파동인지에 대한 논의가 있었습니다.

많은 과학자들은 전자는 입자라고 생각했지만 이중 슬릿 실험에서 전자가 파동의 특성도 가지고 있다는 것을 발견했습니다. 그런데 사람이 관찰하지 않으면 파동의 패턴을 보이는데 사람이 관찰을 하면 입자의 패턴을 보이는 이상한 현상이 발견되었습니다. 그래서 나온 것이 바로 양자는 둘 이상의 다른 별개의 상태를 동시에 가지고 있다는 것입니다. 

이 사실은 이성으로는 이해가 되지않지만 수학적인 공식으로는 풀이가 가능해 더더욱 이해할 수 없는 개념이 되었습니다.

슈뢰딩거의 고양이 (출처: ResearchGate)

물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학을 비판하기 위해 만든 사고실험이었으나, 양자역학을 설명하는 가장 대표적인 사고실험이 된 슈뢰딩거의 고양이입니다. 자세한 설정은 넘어가고 슈뢰딩거 고양이의 중요한 점은 인간이 이 상자를 열어보기 전까지는 상자 안의 고양이가 죽은 상태와 살아있는 상태가 중첩되어있다는 개념입니다.

양자 얽힘

양자 얽힘은 아인슈타인이 극렬히 반박했던 개념입니다. 양자 얽힘은 두 개의 양자가 얽혀있는 상태가 되면 하나의 값이 결정될 때 얽혀있는 다른 양자의 값도 결정된다는 개념입니다.  고양이를 예로 들면 양자 얽힘 상태에 있는 고양이 두 마리가 있습니다. 그리고 그 고양이들은 각각 상자에 담겨있습니다. 양자중첩 법칙으로 인해 각각의 상자 안의 고양이들은 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있습니다. 이 상자 두 개 중 한 개를 달나라로 보내겠습니다. 그럼 내 앞에 상자가 하나 있고 달에 상자가 하나 있습니다. 그리고 두 상자의 고양이는 모두 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있습니다. 그중 앞의 상자를 열었는데 고양이가 살아있다면, 살아있는 고양이가 발견된 그 순간 달에 있는 상자의 고양이는 죽은 상태가 됩니다. 이게 양자 얽힘입니다.

 

물리학도 전공하지 않은 제 설명은 부족할 수 있고, 이 자체가 오해일 수 있습니다. 하지만 제가 이해한 양자중첩과 양자 얽힘을 최대한 설명해보았습니다. 

 

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양자 컴퓨터의 작동원리

양자컴퓨터는 양자 중첩과 양자 얽힘상태를 이용해 자료를 처리합니다. 

양자 컴퓨터는 정해진 오차범위안에서 여러 사항들을 동시에 진행해서 올바른 결과가 나오면 계산을 중지하는 방식으로 자료를 처리합니다. 정확하게 설명할 수는 없고 제가 이해한 대로 설명해 보겠습니다.

 

서울에서 부산을 가는 가장 빠른 길을 알려줘 라고 전통적 컴퓨터에게 질문을 한다면

서울에서 부산으로 가는 10가지 길을 하나씩 하나씩 다 가본다음 4번째 길이 가장 빠르다는 답을 얻은 후 우리에게 결과를 알려줍니다.

하지만 양자 컴퓨터에게 물어보면 서울에서 동시에 열개의 길로 동시에 출발하여 진행하다 어느 한 길에서 부산에 도착하면 그 즉시 계산을 중지하고 가장 먼저 도착한 4번 길을 결과로 알려줍니다.

 

하나씩 순차적으로 데이터를 처리하는 전통적 컴퓨터보다 10개의 길을 동시에 처리하는 양자 컴퓨터는 당연히 속도가 빠를 수밖에 없습니다. 하지만 아무리 대단한 양자 컴퓨터라도 서울에서 달로 차를 타고 갈 수 있는 방법은 알려줄 수 없습니다. 즉 전통적 컴퓨터가 처리할 수 없는 문제는 양자컴퓨터도 해결할 수가 없습니다.

 

양자 컴퓨터의 전망과 활용

양자 컴퓨터는 앞으로 더욱 발전해서 지금의 슈퍼컴퓨터도 감당할 수 없는 복잡한 계산과, 엄청난 데이터를 처리할 것입니다. 또한 인공지능을 활용한 양자컴퓨터는 인간의 사고와 유사한 능력을 보여줄 것입니다.

특히 의료 부분과 보안 부분에서 탁월한 능력을 보여주리라 예측해 봅니다.