양자 컴퓨터에 대해 알아보자 (1)

양자 컴퓨터에 대해 알아보자 (1)

 

현재 양자론의 원리를 정교하게 이용한 미래의 컴퓨터인 ‘양자 컴퓨터’가 주목을 받고 있다.

양자 컴퓨터는 아직 기초 연구 단계이지만, 실현되면 현재의 슈퍼컴퓨터는 발꿈치에도 미치지 못하는 초고속 계산을 할 수 있다고 한다.

양자 컴퓨터의 역사는 의외로 오래되었다. 그 원리는 1985년에 영국의 물리학자인 데이비드 도이치(David Deutsch)가 고안했다. 그러나 현실적인 응용이 되면 이야기는 달라져서, 그 어려움 때문에 한동안 일부 전문가들의 화제로만 머물렀다. 그 후 1994년 미국 벨연구소의 피터 쇼어 박사가 양자 컴퓨터를 사용하면 인수분해가 초고속으로 이루어지는 것을 보여 줌으로써 상황은 급변했다.

인수분해란 예를 들어 221이라는 수를 ‘221=17X13’과 같이 더욱 작은 수의 곱셈 형태로 나타내는 것이다. 인수분해는 큰 수가 될수록 계산이 번거로우므로, 순서대로 여러 가지 수로 나누어 보아 나머지가 생기는지 아닌지를 확인해야 한다.

예를 들면 1만 자리의 정수를 인수분해하려면 현재의 슈퍼컴퓨터로는 1000억 년 이상 걸린다. 그러나 양자 컴퓨터를 이용하면, 단 몇 시간에 끝낼 수 있다고 한다. 현재 인터넷 등에서 보급되고 있는 ‘RSA 암호’는 인수 분해의 어려움을 이용해서 만들어졌기 때문에, 장차 양자 컴퓨터가 보급되면 RSA 암호로 만들어진 문장은 간단하게 해독된다고 한다.

「양자 컴퓨터의 비밀은 아주 큰 수의 병렬 처리」

 

양자 컴퓨터는 현재의 컴퓨터와는 전혀 다른 원리에 기초해서 만들어진다. 보통의 컴퓨터는 모든 수를 0과 1만을 사용한 2진법으로 다룬다. 예를 들어 2진법의 0은 0,1은 1, 2는 10, 3은 11, 4는 100, 18은 10010이 된다. 그리고 0과 1은 ‘전류가 흐르지 않는 상태=0’ ‘전류가 흐르고 있는 상태=1’ 등의 방법으로 표현된다.

보통의 컴퓨터에 2진법으로 2자릿수까지의 4개의 수 00, 01, 10, 11(10진법에서 0~3)을 데이터로 입력하고 어떤 처리(입력값을 2배로 해서 출력하는 등)를 하는 경우, 00을 입력하고 그 처리가 끝난 다음에 01을 입력해 다음 처리를 하는 것처럼, 입력 데이터마다 하나의 계산을 한다. 즉, 4개의 데이터에 대해서는 4회의 입력과 계산이 필요하다.

그런데 양자 컴퓨터는 1개의 처리 장치에 00, 01, 10, 11의 4개의 데이터를 한 번에 입력해서 한 번에 계산하는 ‘병렬 처리’를 할 수 있다. 2진법에서 3자릿수를 입력하는 경우라면 2³(=8)가지, 2진법에서 10자리의 데이터라면 2¹⁰=1024가지, 30자리의 데이터라면 2³⁰=10억 7374만 1824가지 조합을 한번에 계산할 수 있다. 양자 컴퓨터는 데이터의 자릿수가 커질수록 위력적이다.

 

「양자 비트는 0과 1을 동시에 해석」

양자 컴퓨터는 ‘병렬 처리’를 가능하게 하는 것은 양자론의 독특한 사고방식인 ‘공존 상태(중합 상태)’이다.

보통 컴퓨터에서는 전류가 흐르거나 흐르지 않는 2가지 상태를 각각 1과 0에 대응시켜 계산한다.

이 1과 0으로 표시되는 정보의 최소 단위를 ‘비트’라고 한다.

예를 들면 10진법에서 0에서 3까지의 수 (합계 2²개)는 2비트로 표현되고, 0에서 7까지의 수(합계 2³개)는 3비트로 표현된다.

한편 양자 컴퓨터의 경우 양자론에 의해서 행동하는 적당한 2개의 상태를 준비해 그것들을 0과 1에 대응시킨다. 그리고 그것들을 공존 상태로 해서 ‘양자 비트’를 만든다.