글로벌 기술 패권 경쟁이 현재 반도체와 인공지능에 이어 양자기술 분야로 확장되고 있습니다. 양자기술은 산업 생태계를 근본적으로 변화시킬 파괴적인 혁신 기술입니다. 주요 선진국들을 중심으로 양자기술의 선점을 위한 치열한 경쟁이 벌어지고 있습니다. 미국, 중국, 일본은 양자기술 개발이 미래의 산업과 안보에 큰 영향을 끼칠 것으로 생각하고 막대한 자원을 투자하여 기술 개발에 나서고 있습니다. 우리나라는 비교적 기술과 인력의 차이가 있지만 12대 국가전략기술로 선정하여 빠르게 추격할 예정이라고 합니다. 그렇다면 이런 양자기술은 무엇인지 그리고 이걸 활용해서 만드는 양자컴퓨터는 무엇인지 알아봅시다.
양자 기술이란?
양자기술은 양자역학의 원리와 원자나 입자들의 특성을 이용하여 정보를 처리하고 통신하는 기술을 의미합니다. 양자역학은 물리학의 한 분야로, 물질의 입자나 에너지의 특성을 설명하는 이론입니다. 양자역학에 따르면 입자나 에너지는 이산적인 단위로 존재하며, 이를 양자라고 합니다.
양자기술은 주로 양자역학의 원리 중에서 양자중첩과 양자간섭, 양자연결(양자얽힘) 등을 기반으로 합니다. 이를 통해 새로운 형태의 정보처리와 통신 기술이 개발되어 양자컴퓨터로 개발되고 있습니다.
양자 컴퓨터와 원리
양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 기반으로 작동하며 양자 비트 또는 큐비트의 고유한 특성을 활용합니다. 비트(0과 1)를 사용하는 기존 컴퓨터와 달리 큐비트는 중첩으로 알려진 현상 덕분에 여러 상태로 동시에 존재할 수 있습니다. 이 특성을 통해 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 병렬로 수행하여 기하급수적인 속도 향상 가능성을 제공할 수 있습니다.
중첩 및 병렬:
중첩은 큐비트가 여러 상태를 동시에 표현할 수 있도록 하여 계산 가능성을 기하급수적으로 확장합니다. 그 결과, 양자 컴퓨터는 여러 개의 계산을 병렬로 처리할 수 있어 기존 컴퓨터에 비해 더 빠른 문제 해결이 가능합니다. 이러한 병렬화는 최적화, 시뮬레이션 및 암호화와 같은 작업에 특히 유용합니다.
양자 얽힘:
또 다른 매력적인 원리는 양자 얽힘으로, 큐비트가 그들의 상태가 본질적으로 상관관계가 있는 방식으로 얽히게 됩니다. 한 큐비트의 상태를 변경하면 서로 얽힌 상대의 상태에 즉각적으로 영향을 미칩니다. 양자 얽힘은 양자 컴퓨팅 알고리듬에서 중요한 역할을 하며 양자 텔레포트와 같은 통신 프로토콜을 가능하게 합니다.
양자 컴퓨터의 활용, 장단점
양자 컴퓨터는 다음과 같은 다양한 영역에서 활용 될 것입니다.
암호화:
양자 컴퓨터는 현재의 많은 암호화 알고리즘을 깰 수 있는 힘을 가지고 있으며, 양자 내성 암호화 기술의 개발이 필요합니다. 이 분야는 양자 시대에 안전한 통신을 보장하기 위한 발전을 거듭하고 있습니다.
최적화: 양자 컴퓨터는 물류, 재무 계획 및 공급망 관리에 적용되는 복잡한 최적화 문제를 해결하는 데 효과적입니다. 방대한 솔루션 공간을 효율적으로 탐색하여 보다 최적화되고 리소스가 효율적인 솔루션을 구현할 수 있습니다.
약물 발견: 양자 컴퓨터는 분자 상호 작용의 시뮬레이션과 모델링을 향상 시켜 약물 발견 과정을 빠르게 진행 시킵니다. 이 기술은 잠재적인 화합물을 식별하고, 그 특성을 최적화하고, 분자 행동을 이해하는 데 도움이 됩니다. 실험실에서 발생하는 시행착오를 획기적으로 줄여 시간과 비용을 아끼고 효율을 증진 시키는 것에 기대됩니다.
과학적 시뮬레이션: 양자 시뮬레이션을 통해 과학자들은 고전적인 시뮬레이션을 사용하여 연구하기 어려운 양자 시스템에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 이것은 재료 과학, 화학 및 기초 물리학 연구의 발전에 큰 도움이 됩니다.
양자 컴퓨터의 장점:
양자 컴퓨터는 다음과 같은 여러 가지 이점을 제공합니다:
속도: 양자 컴퓨터는 특정 문제를 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 엄청난 속도 향상은 산업에 혁명을 일으키고 복잡한 계산에 의존하는 분야에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.
병렬 처리: 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘을 활용하여 여러 계산을 동시에 처리합니다. 병렬 처리를 활용하면 보다 효율적인 처리와 향상된 문제 해결 능력을 구현할 수 있습니다.
양자 컴퓨터의 단점:
양자 컴퓨터는 엄청난 잠재력에도 불구하고 다음과 같은 과제에 직면해 있습니다:
취약성: 양자 시스템은 소음과 환경 간섭에 민감하여 계산 오류를 초래합니다. 양자 상태에서 안정적인 큐비트를 유지하는 것은 고급 오류 수정 기술이 필요한 중대한 기술적 과제입니다.
제한된 적용 가능성: 양자 컴퓨터는 특정한 계산 작업에 뛰어나지만, 실용적인 유용성은 여전히 제한적입니다. 모든 문제가 양자 컴퓨팅의 이점을 크게 얻는 것은 아니므로 적용 가능성을 신중하게 고려해야 합니다.
정부는 2035년까지 글로벌 양자경제의 중심국가로 도약하기 위해 2031년까지 1000큐비트 양자컴퓨터 개발과 100㎞급 양자통신 네트워크 구축을 목표로 세우고 있습니다. 이를 통해 기술 수준을 최고 선도국 수준의 85%로 높이려는 계획입니다. 부족한 양자기술관련 인력을 양성하여 앞으로 있을 양자기술 경쟁에서 우리나라의 독보적인 위치를 기대합니다.