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반도체 대신 원자를 기억소자로 활용…슈퍼컴퓨터 한계 뛰어넘어
송준호 기자  |  gc5994@daum.net
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승인 2019.04.02  17:58:22
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기존의 컴퓨터들 중 최고성능인 슈퍼컴퓨터에게 수백 년 동안 풀어야 할 문제가 주어졌다. 그런데 그 문제를 단 몇 초만에 풀 수 있다면 어떨까? 인류의 꿈을 실현시켜 줄 양자컴퓨터에 대한 연구가 계속되고 있다. ‘꿈의 컴퓨터’, ‘스스로 생각하는 컴퓨터’라는 별명을 가진 양자컴퓨터의 탄생 배경과 특징에 대해 알아보자.

   
 

 

슈퍼컴퓨터보다 수억배 빨리 연산

  양자컴퓨터는 얽힘(entanglemen t)과 중첩(superposition)같은 양자역학적인 현상을 활용해 자료를 처리하는 계산 컴퓨터다. 현재 가장 빠르다는 슈퍼컴퓨터보다 몇 억 배 더 빠르게 문제를 해결할 수 있어 ‘꿈의 컴퓨터’라는 별칭을 갖고 있다.
 양자컴퓨터의 개발 과정은 기존 컴퓨터들의 단점을 보완하는 데서 시작됐다. 초기 컴퓨터는 진공관을 이용해 크고 무겁다는 단점을 갖고 있었다. 이러한 단점을 보완하기 위해 만든 것이 ‘트랜지스터’다.
  트랜지스터는 전자회로 구성요소 중 하나로 전류나 전압 흐름을 조절해 증폭하며 스위치 역할을 한다. 가볍고 소비전력이 적어 지금은 대부분의 전자회로에 사용된다. 그러다 보니 컴퓨터의 크기는 계속 작아지기 시작했고, 현재는 IC칩과 트랜지스터를 집적시킨 컴퓨터까지 개발됐다.
  크기를 줄이는 것도 컴퓨터의 성능을 높이는 하나의 방법이 될 수 있다. 현재 트랜지스터의 크기는 14nm로 적혈구의 1/500 크기다. 하지만 크기가 원자 크기만큼 줄어들면 양자 터널에 의해 막혀있는 통로를 통과해 버린다. 이러한 현상이 발생하면 트랜지스터가 하던 스위치 역할을 할 수 없게 된다. 그래서 과학자들은 단점으로 지적되던 양자의 속성을 컴퓨터의 장점으로 승화시켜 양자컴퓨터를 만들었다.
 
비트 아닌 큐비트 단위로 계산
  기존 컴퓨터는 연산 단위로 ‘비트(bit)’를 사용한다. 0과 1 중 하나로 정보를 표현하고 비트 한 개당 하나의 정보만 처리할 수 있다. 하지만 양자컴퓨터의 연산 단위는 큐비트다. 0과 1을 따로 가질 수도 있고 0과 1을 함께 가질 수도 있다. 예를 들어 2비트는 00, 01, 10, 11 중 한 번에 한 가지 정보만 처리할 수 있지만 2큐비트는 4가지 정보가 동시에 존재하는 양자 상태에서 처리할 수 있다. 이렇게 0과 1이 동시에 존재하는 상태를 양자 중첩 현상이라고 한다. 양자 중첩 현상은 관측하는 시간에 따라서 0과 1로 변하는 현상인 것이다.
  중첩 현상으로 인해 양자컴퓨터의 연산 속도는 병렬 처리 형태로 큐비트 개수당 2의 N제곱으로 증가한다. 2큐비트는 동시에 4가지 정보를 갖고 4큐비트는 동시에 16가지 정보를, 8큐비트는 동시에 256가지 정보를 표시할 수 있다. 최근 공개된 50큐비트 양자컴퓨터는 2의 50제곱의 정보를 동시에 나타낼 수 있다.
  양자컴퓨터에는 칩을 구성하는 모듈인 ‘논리 게이트 트랜지스터’가 있다. 트랜지스터는 간단한 스위치 격으로 정보를 흘리거나 멈추는 역할을 한다. 여기에 흐르는 정보는 데이터 최소 단위인 비트로 표시한다. 이는 0과 1로 모든 수를 나타내는 이진법을 취한다. 비트는 이진법으로 표현할 수밖에 없지만 여러 개가 있다면 더 복잡한 정보도 나타낼 수 있다.
  논리 게이트는 간단한 연산을 하는 부분이다. 예를 들어 AND 게이트는 모두 1이라면 1을 보내고 그렇지 않으면 0을 보내는 방식이다. 또한 AND 게이트를 결합해 덧셈 또는 곱셈을 하면 다양한 계산을 할 수 있다. 앞에서 설명한 논리 게이트와 트랜지스터의 역할을 합친 것을 ‘논리 게이트 트랜지스터’라고 한다.
  다른 특징으로는 ‘큐비트’ 일명 ‘양자비트’가 있다. 큐비트는 양자컴퓨터로 계산할 때의 기본 단위다. 일반 컴퓨터는 정보를 0과 1의 비트 단위로 따로 처리하고 저장한다. 그러나 양자컴퓨터는 정보를 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트 단위로 처리하고 저장한다. 큐비트를 사용하면서부터 양자역학적 현상인 중첩과 얽힘이 가능해졌다.
 
양자컴퓨터, 미래 혁신 앞당겨
  양자컴퓨터의 개발로 많은 분야에서 변화가 일어날 것으로 예상된다. 먼저 더 빠른 데이터베이스 검색이 가능해질 것이다. 기존 데이터베이스 검색은 모든 요소를 참조해야만 한다. 예를 들어 자신이 좋아하는 영화를 조사한다면 데이터를 하나하나씩 대조해가면서 찾아가는 탓에 표시하기까지 시간이 걸린다. 하지만 양자컴퓨터의 빠른 속도로 초고속 연산이 가능해지면서 데이터베이스 검색 속도도 빨라질 것으로 보인다.
  정보·보안계도 큰 변화가 예상된다. 현재 인터넷이나 은행은 공개키 암호를 이용해 정보를 암호화해서 보호한다. 공개키 암호는 연산하면서 해독을 하는데 기존 컴퓨터로 몇 년이 걸린다. 하지만 양자컴퓨터를 쓰면 몇 시간 안에 끝난다.
  또한 양자컴퓨터는 연구 분야에도 활기를 주고 있다. 세계 50대 혁신 기업에 선정된 바 있는 BCG는 “최근 제약·화학업계를 중심으로 기술 적용 가능성이 확대되고 있다”고 밝혔다.
  제약·화학업계 임원들은 양자컴퓨터 기술로 향후 신약 개발 성공률이 5~10% 향상되고 개발 시간은 15~20% 줄어들 것이라고 예측했다.
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