양자 컴퓨터는 간단하게 말해서 양자역학적인 현상을 활용하여 정보를 처리하는 컴퓨터를 말합니다. 양자 컴퓨팅 기술은 기존 컴퓨터에서 처리하기 복잡하고 어려운 문제를 해결하기 위해 양자역학의 이론을 바탕으로 해결하기 위한 미래 기술 중에 하나입니다.
양자 컴퓨터란?
기존 컴퓨터는 정보의 단위로 비트를 쓰는데 이는 모든 데이터가 0 또는 1로 나타납니다. 반면에 양자 컴퓨터는 데이터가 0이자 동시에 1이 될 수 있는 특성인 중첩을 이용한 것으로 이 고유한 특성을 정보의 연산과 처리에 활용하여 기존 컴퓨터가 처리하지 못하는 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다.
즉 양자 컴퓨터는 0 또는 1의 값만 갖는 비트 대신에 0과 1의 중첩된 상태를 갖게 됩니다. 양자 컴퓨터의 단위는 큐비트 또는 양자비트라고 합니다. 이 같은 특성으로 인해 큐비트에는 여러 상태가 존재하게 됩니다.
예를 들어 2개의 큐비트는 00, 01, 10, 11로 4개의 상태를 갖게 됩니다. 만약 더 여러 개의 큐비트가 얽히게 되면 더 많은 상태값을 갖게 되고 정보량이 2의 제곱수로 늘어나게 되는 것입니다.
쉽게 설명하면 1600대의 슈퍼 컴퓨터가 8개월 동안 처리하는 정보를 양자 컴퓨터는 단 몇 시간 만에 해결할 수 있습니다.
양자 컴퓨터 원리
양자 컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터보다 크기가 작고 에너지 사용량도 적은 최첨단 컴퓨터입니다. 양자 하드웨어 시스템은 자동차 한 대의 크기이며 초전도 프로세스를 초저온 작동 온도로 유지하기 위한 냉각 시스템이 가장 크게 차지합니다.
기존 프로세서는 비트를 사용하여 작업을 수행하는데 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용하여 다차원적으로 양자 알고리즘을 실행합니다.
기존 컴퓨터가 팬 냉각 방식으로 작동 온도를 유지하는데 비해 양자 컴퓨터는 절대 0도에 약 100분의 1도 수준으로 차가워야 합니다. 이를 위해 초냉각 초유체를 사용하여 초전도체를 만들게 됩니다.
이렇게 초저온 상태에서는 특정 구성 물질이 또 다른 중요한 양자 역학 효과를 보이는데요. 이것이 바로 전자가 바로 저항 없이 이 물질을 통과합니다. 이렇게 통과되는 물질이 초전도체입니다.
초전도체를 통과하는 전자는 짝을 지어 구성되는데 이 쌍은 양자 터널이라는 프로세스에 의해 장벽인 절연체를 가로질러 전하를 전달할 수 있습니다. 절연체 양쪽에 있는 초전도체 두 개는 접합을 형성합니다.
양자 컴퓨터는 이 접합을 초전도체 큐비로 사용합니다. 이 큐비트에서 마이크로웨이브 광자를 발사하여 이들의 동작을 제어하고 양자 정보의 개별 단위를 보존하고 변경하며 판독하게 할 수 있습니다.
또한 중첩 상태의 큐비트 그룹은 복잡한 다차원의 계산 공간을 만들 수 있습니다. 이러한 공간에서는 복잡한 문제를 새로운 방식으로 표현할 수 있습니다.
또한 두 큐비트가 얽힌 상태에서 한 큐비트가 달라지면 다른 큐비트에 직접 영향을 미치게 되는데 양자 알고리즘은 이러한 관계를 활용하여 복잡한 문제에 대한 해답을 찾을 수 있습니다.
양자 컴퓨터 활용 산업
양자 컴퓨터는 항공 우주 회사의 복잡한 문제점을 해결할 수 있습니다. 예를 들어 대규모 폭풍으로 인해 항공사 운항이 중단될 위험이 있을 경우 양자 컴퓨터는 기하급수적인 변수를 고려하여 각 항로에 대한 최적의 대안을 결정할 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 화학 분야에서 새로운 분자 구조의 속성과 작용을 시뮬레이션하는데 활용될 수 있습니다. 지구 온난화 영향이 낮은 새로운 냉매 및 이산화탄소를 회복하는 새로운 분자의 특성을 예측할 수 있는 데 사용 가능합니다.
양자 컴퓨터는 의료, 제약 등 생명과학 분야에서 임상 전 단계를 무려 3년에서 6년 정도를 단축하여 약물 개발 속도를 높일 수 있고 비용 절감하는데 도움을 줄 수 있습니다.
물류, 배송 관련 사업은 상품을 어떤 장소에서 다른 장소로 효율적이고 안전하게 이동하는데 목적을 두고 있는데 최적의 경로를 식별하여 직원이나 로봇이 효율적으로 일할 수 있도록 양자 컴퓨터 기술을 사용할 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 금융 기관에서 고객의 문제를 해결하는데 도움을 주고 투자 시 투자 포트폴리오를 최적화하고 변칙적인 거래를 더 정확하고 특성화하는데 도움을 줄 수 있습니다.
이외에도 AI 등 반도체가 적용되는 모든 산업에 양자 컴퓨터로 대체되어 첨단화될 수 있는 것입니다.
양자 컴퓨터 전망
2019년 구글은 슈퍼 컴퓨터가 1만 년에 걸리는 연산을 200초 만에 처리할 수 있는 53 큐비트 성능의 양자 컴퓨터를 선보인 적이 있습니다.
구글은 현재 양자 컴퓨터의 오류를 최소화하고 보정해 논리적인 큐비트를 개발하는 단계라고 발표했고 10년 이내 문제를 해결할 수 있을 것이라고 말했습니다.
IBM의 경우 올해까지 1000 큐비트 이상의 범용 양자 컴퓨터를 발표할 계획이라고 얘기했습니다. 또한 2025년까지는 4000 큐비트 이상의 양자 프로세스를 개발할 것을 목표로 한다고 밝혔습니다. 이외에도 MS, 인텔, 일본의 NEC, 후지쯔 등이 양자 컴퓨터 연구를 진행 중인 것으로 알려져 있습니다.
국내의 경우 양자 기술 시장에서 글로벌 경쟁력을 갖추겠다는 계획을 밝혔지만 아직 50 큐비트 양자 컴퓨터에 목표를 두고 있어서 위에 언급한 글로벌 IT기업과 어깨를 나란히 하기에는 역부족으로 보이기는 합니다.
그래도 양자 컴퓨터 시장에 발을 내딛는다는 것만으로 미래 지향적이라고 볼 수 있습니다. 양자 컴퓨터 기술 시장은 2040년 1060억 달러 즉 138조 7540억 원까지 성장할 것으로 전망하고 있습니다.
초전도 현상 및 초전도체 무엇이고 어떤 산업에 활용되나?
초전도 현상은 특정한 물질이 전기 저항이 전혀 없는 상태에서 전류를 전도할 수 있다는 것을 말합니다. 이 특정한 물질을 초전도체라고 하는데 이것은 열의 형태로 에너지를 낭비하지 않고 전
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