양자 컴퓨팅이 미래를 변화시키고 있습니까? 역사, 과제, 위험 및 이점

얼마 전까지만 해도 고전 컴퓨터의 한계로 인해 과학자들은 새로운 유형의 컴퓨팅, 즉 양자 컴퓨팅을 개발하게 되었습니다. 양자 컴퓨터는 클래식 비트 대신 큐비트를 사용하며 클래식 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 계산을 수행할 수 있습니다. 이러한 이점은 잠재적으로 수많은 분야를 변화시키고 우리의 삶을 더 좋게 만들 수 있습니다. 이 기사에서는 양자 컴퓨팅으로 혁명을 일으킬 수 있는 산업과 분야를 포함하여 양자 컴퓨팅에 대한 개요를 제공합니다. 또한 이 기술과 관련된 과제와 위험, 그리고 이 기술의 미래에 대해 논의할 것입니다.

IBM Quantum 컴퓨팅 시스템의 내부. (제공: IBM )

양자 컴퓨팅이란 무엇입니까?

1920년대에 양자 이론이 개발되고 최초의 프로그래밍 가능한 컴퓨터인 전자 수치 적분기 및 컴퓨터( ENIAC )가 1945년에 제작 된 이후 컴퓨팅은 많은 발전을 이루었습니다. 이 기계는 최초의 "자동, 범용 , 전자, Edwin D. Reilly의 저서 "컴퓨터 과학 및 정보 기술의 마일스톤"에 따르면 십진수, 디지털 컴퓨터입니다 . 양자 컴퓨팅이란 정확히 무엇입니까? 간단히 말해서 양자역학의 법칙을 활용하여 기존 컴퓨터보다 더 효율적이고 강력한 방식으로 복잡한 문제를 해결하는 급속히 발전하는 기술입니다. 일부 문제의 경우 슈퍼컴퓨터는 그다지 슈퍼컴퓨터가 아닙니다. 근본적으로 양자 컴퓨팅은 정보를 처리하고 조작하기 위해 양자 비트(큐비트) 를 사용합니다 . 두 가지 상태(0 또는 1) 중 하나만 존재할 수 있는 기존 비트와 달리 큐비트는 중첩 현상으로 인해 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 동시에 많은 계산을 수행할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅의 또 다른 핵심 원리는 얽힘(entanglement) 입니다. 이는 큐비트가 물리적으로 분리되어 있어도 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 즉시 영향을 미칠 수 있는 방식으로 큐비트를 상호 연관시킬 수 있습니다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 작업(큰 숫자 인수분해, 대규모 데이터베이스 검색 등)을 수행할 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 어떻게 작동합니까?

방금 언급했듯이 양자 컴퓨터는 비트 대신 큐비트를 사용하여 다차원 양자 알고리즘을 실행합니다. 큐비트는 양자 터널링을 통해 절연체를 통해 전하를 전달할 수 있는 쿠퍼 쌍과 같은 양자 기계적 효과를 나타내는 초전도체를 사용하여 생성됩니다. 큐비트의 동작은 마이크로파 광자를 발사하여 제어하고 조작할 수 있습니다. 큐비트는 중첩 상태에 배치될 수 있으며, 이는 큐비트의 가능한 모든 구성의 조합을 나타냅니다. 중첩된 큐비트 그룹은 복잡한 문제를 새로운 방식으로 표현할 수 있는 복잡한 계산 공간을 만들 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 작고 에너지가 덜 필요하지만 초냉각 초유체를 사용하여 매우 낮은 온도를 유지해야 합니다.

Josephson 접합의 확대 보기를 포함하여 IBM의 초전도 큐비트에 대한 도식적 클로즈업

양자컴퓨팅 현황

양자 컴퓨팅은 복잡한 문제를 해결하는 방식에 혁명을 가져올 빠르게 발전하는 분야입니다. IBM, Google, Rigetti 등 여러 회사에서는 이미 양자 컴퓨터를 구축하고 활용하고 있습니다. 이러한 컴퓨터의 크기는 몇 큐비트부터 100큐비트 이상까지 다양하며 각 컴퓨터에는 고유한 아키텍처와 기능 세트가 있습니다.

• 2017년에 Rigetti는 양자 컴퓨팅을 위한 세계 최초의 풀 ​​스택 프로그래밍 환경인 Forest 1.0의 공개 베타 버전을 발표했습니다.
• Google의 Sycamore는 53큐비트를 가진 양자 프로세서입니다. 2019년에 개발되었으며, 고급 슈퍼컴퓨터가 완료하는 데 10,000년이 필요한 작업을 200초 안에 완료한다고 주장했습니다.
• IBM은 2019년에도 IBM 퀀텀 시스템 원(IBM Quantum System One) 양자컴퓨터를 선보였습니다. 여기에는 2.7x2.7x2.7미터 컴퓨팅 시스템에 내장된 20큐비트 트랜스몬 양자 프로세서가 포함되어 있습니다. 흥미롭게도 IBM은 IBM Quantum Summit 2022에서 새로운 433큐비트 'Osprey' 프로세서를 발표했습니다.

"새로운 433 큐비트 'Osprey' 프로세서는 양자 컴퓨터를 사용하여 이전에 해결할 수 없었던 문제를 해결하는 지점에 한 걸음 더 가까워졌습니다." – IBM 수석 부사장 겸 연구 이사인 Darío Gil 박사. 하드웨어 개발 외에도 양자 컴퓨팅을 위한 소프트웨어 도구도 발전하고 있습니다. Q# 및 Qiskit과 같은 프로그래밍 언어를 통해 개발자는 양자 프로그램을 작성하고 양자 하드웨어 또는 시뮬레이터에서 실행할 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨팅은 여전히 ​​몇 가지 과제와 한계에 직면해 있습니다. 주요한 것은 오류 수정 입니다 . 양자 프로그램이 실행되면 오류가 빠르게 누적되어 과학자들에게 어려움을 안겨줍니다. 따라서 효과적인 오류 수정 방법을 개발하는 것은 신뢰할 수 있는 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 데 중요합니다. 또 다른 중요한 제한 사항은 확장성 입니다 . 수십 또는 수백 큐비트를 가진 양자 컴퓨터가 이미 존재하지만, 수천 또는 수백만 큐비트를 가진 대규모 양자 컴퓨터를 구축하는 것은 여전히 ​​어려운 과제입니다. 그러나 향후 몇 년 안에 이러한 문제가 극복되어 양자 컴퓨팅이 더 널리 채택될 수 있는 길을 열 것이라는 낙관론이 있습니다. IBM Quantum 시스템은 2025년 이후까지 4,000큐비트 이상으로 확장할 것을 약속합니다.

양자 컴퓨팅이 세상을 어떻게 변화시키고 있습니까? 실제 응용

즉, 이미 다양한 산업 분야에서 양자 컴퓨팅이 놀라운 결과를 보여주는 여러 사용 사례가 있습니다.

보건 의료

가장 유망한 분야 중 하나는 헬스케어다. 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 분자와 물질의 거동을 더 정확하게 시뮬레이션할 수 있어 신약과 질병 치료법의 발견을 가속화할 수 있습니다. 예를 들어 VQE(Variational Quantum Eigensolver)와 같은 양자 알고리즘을 사용하면 기존 방법보다 분자의 전자 구조를 더 정확하게 계산할 수 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅을 사용하면 의료 기록 및 임상 시험의 대규모 데이터 세트를 분석하여 신약 발견을 위한 새로운 목표를 식별할 수 있습니다. 의료 분야에서 양자 컴퓨팅이 어떻게 사용될 수 있는지 보여주는 또 다른 예는 약물 후보의 가상 스크리닝을 통해서입니다. 여기에는 원하는 특성을 가진 약물을 식별하기 위해 잠재적인 약물의 대규모 데이터베이스를 검색하는 작업이 포함됩니다. 양자 컴퓨팅은 방대한 양의 데이터를 효율적으로 검색하여 이 프로세스를 가속화하여 약물 발견 및 개발 속도를 높일 수 있습니다.

재원

양자 컴퓨팅의 또 다른 중요한 응용 분야는 금융 분야에서 직면하는 문제와 같은 문제의 최적화에 있을 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 재무 모델링 및 위험 관리를 개선하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 양자 알고리즘을 활용하면 대규모 데이터 세트를 신속하게 분석하고 시장 동향을 예측할 수 있습니다. 또한 양자 암호화를 사용하면 금융 거래를 보호하고 사이버 위협으로부터 보호할 수 있습니다. QKD(양자 키 분배)는 양자 역학의 원리를 사용하여 두 당사자 간에 암호화 키를 안전하게 전송하는 기술입니다. QKD는 얽힌 큐비트의 힘을 활용하여 감지되지 않고는 가로챌 수 없는 키를 생성합니다.

물류 센터

양자 컴퓨팅은 잠재적으로 공급망 관리를 최적화하고 운송 비용을 절감하며 배송 시간을 개선하는 데 사용될 수 있습니다. 예를 들어, 양자 알고리즘을 사용하면 운송 및 유통을 위한 가장 효율적인 경로를 신속하게 분석할 수 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅은 항공 및 철도 스케줄링에서 발생하는 복잡한 스케줄링 문제를 해결하는 데 사용될 수 있습니다.

에너지

양자 알고리즘을 사용하면 에너지 저장 장치에 사용되는 재료의 동작을 시뮬레이션하여 보다 효율적인 배터리를 개발할 수 있습니다. 그 외에도 양자 컴퓨팅을 사용하면 날씨 패턴을 분석하고 에너지 수요를 예측하여 에너지 생산을 최적화할 수 있습니다.

조작

양자컴퓨팅은 대규모 데이터 세트를 분석하고 최적의 생산 일정을 예측할 수 있기 때문에 제조 분야에서도 유용하게 활용될 수 있습니다. 보시다시피, 양자 컴퓨팅의 잠재적 응용 분야는 방대하며 이 기술로 변화할 수 있는 산업도 많습니다.

미래에 대한 “두려움”

이 모든 것에서 양자 컴퓨팅이 사회에 미치는 영향이 상당할 것이라는 결론을 내리기는 쉽습니다. 그리고 다른 혁신적인 기술과 마찬가지로 양자 컴퓨팅에도 몇 가지 위험이 있습니다. 가장 중요한 과제 중 하나는 기술의 윤리적, 사회적 영향입니다. 양자 컴퓨팅은 민감한 데이터를 보호하는 데 사용되는 많은 암호화 방법을 깨뜨릴 수 있으며, 이로 인해 개인 정보 침해 및 기타 보안 문제가 발생할 수 있습니다. 또한, 양자 컴퓨팅은 글로벌 안보에 위협이 될 수 있는 새로운 무기와 기술을 개발하는 데 사용될 수 있습니다.

요약

양자 컴퓨팅에는 여러 가지 과제와 위험이 있지만, 많은 조직에서는 새로운 암호화 방법을 개발하고, 양자 하드웨어 및 소프트웨어를 개선하고, 훈련 및 교육 기회를 제공함으로써 이를 해결하기 위해 적극적으로 노력하고 있습니다. 따라서 우리는 양자컴퓨팅이 세상에 좋은 방향으로 혁명을 일으킬 것이라고 믿습니다. 강력하고 안정적인 양자 기술을 개발함으로써 우리는 양자 컴퓨팅의 잠재력을 최대한 활용하고 컴퓨팅과 사회 전체를 위한 더 밝은 미래를 만들 수 있습니다. 지금이 바로 행동에 나서야 할 때입니다. CodeGym을 통해 계속해서 기술 세계를 발견해 보세요!