양자 컴퓨팅이란 무엇인가?···모두가 알아야 할 10가지 용어

[테크수다 기자 도안구 eyeball@techsuda.com] 4월 14일 세계 양자의 날(World Quantum Day)이라고 합니다. 그래서 양자컴퓨팅 관련 발표도 이 날 기준으로 쏟아지나 봅니다. 참 쉽지 않은 용어죠. 마이크로소프트 사이트에 양자 컴퓨팅에 대해 모두가 알아야 할 10가지 용어 관련 글이 올라왔습니다. 구글 제미나이를 통해 번역했습니다. 원문을 꼭 확인해주세요.

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저자: 수잔나 레이(Susanna Ray)

양자 컴퓨팅은 오랫동안 "늘 10년 뒤에나 실현될" 신비롭고 강력한 기술, 즉 영원한 약속처럼 느껴져 왔습니다. 만약 여러분이 그동안 이 기술에 큰 관심을 두지 않았다면, 여러분만 그런 것은 아닙니다.

하지만 최근 무언가 변화가 생겼습니다. 연구자들은 이제 수십 년이 아니라, 수년 내의 미래를 이야기하기 시작했습니다.

물론 아직 초기 단계입니다. 양자 시스템은 여전히 취약하고 복잡하며 대부분 실험실 안에 갇혀 있습니다. 기존의 고전 컴퓨터가 여전히 더 신뢰할 수 있는 일꾼인 이유이기도 하죠. 그러나 양자 개발은 이제 진보가 이론에 그치지 않고 실질적으로 체감되는 문턱을 넘어섰습니다.

지금이야말로 양자 컴퓨팅의 개념과 어휘에 귀를 기울여야 할 때입니다. 이 용어들은 과학자들이 분자 행동을 시뮬레이션하거나, 더 오래가는 배터리와 깨끗한 화학 물질로 이어질 신소재를 탐구하고, 오늘날의 컴퓨터로 수백만 년이 걸릴 복잡한 문제를 해결하는 방식을 바꾸기 시작할 것이기 때문입니다.

양자 컴퓨팅의 영향력이 연구실 밖으로 확장됨에 따라, 이해하기 어렵기로 유명한 그 용어들도 우리 곁으로 다가올 것입니다. 이 신기술의 핵심 아이디어를 이해하는 데 도움이 될 가이드를 소개합니다.

1. 양자(Quantum): 부분 그 이상의 전체

갑자기 사람들이 모여 동시에 동기화된 안무를 추는 플래시 몹(Flash mob)을 본 적이 있나요?

멀리서 보면 개별 무용수들의 움직임은 눈에 띄지 않습니다. 대신 모든 사람이 하나로 움직이며 회전하고 몸을 숙이는 하나의 거대한 물결을 보게 됩니다. 각자의 발걸음은 주변 사람들에게 의존하며, 커다란 패턴의 일부로서만 의미를 갖습니다. 이들은 혼자서는 절대 해낼 수 없는 무언가를 함께 만들어냅니다.

이것이 바로 양자 행동을 생각하는 유용한 방법입니다. "양자"라는 단어는 원자와 전자가 개별적이고 독립적인 객체가 아니라, 조직된 집단처럼 행동하여 효과를 만들어내는 아주 작은 미시 세계의 자연을 의미합니다.

양자 물리학, 양자 역학, 양자 컴퓨팅 등 많은 분야에서 이 용어가 등장하는 이유는 모두가 이 "확대된 수준"에 집중하기 때문입니다. 여기서는 결과가 조각들이 서로 어떻게 관계를 맺느냐에 따라 달라집니다. 양자 컴퓨팅은 이러한 집단적 행동을 활용하여 새로운 방식으로 정보를 처리하는 접근법입니다.

2. 큐비트(Qubits): 개별 무용수

큐비트는 양자 컴퓨터의 정보 기본 단위로, 플래시 몹의 무용수 한 명과 같습니다.

일상적인 컴퓨팅에서 정보는 **비트(Bit)**에 저장되며, 이는 1 또는 0, 켜짐 또는 꺼짐의 스위치처럼 작동합니다. 이는 무용수들에게 "당신은 항상 가만히 서 계세요" 혹은 "당신은 항상 한 걸음 내디디세요"와 같이 한 번에 하나의 명확한 지시와 결정만을 내리는 것과 같습니다. 컴퓨터는 방대한 수의 비트를 연결해 데이터와 지침을 나타내는 패턴을 만듭니다.

반면 큐비트는 다르게 행동합니다. 큐비트는 여러 가지 동작을 훈련받은 무용수와 같아서, 동료들의 신호에 따라 서거나 걷거나 심지어 점프할 준비가 되어 있으며 공연이 진행됨에 따라 유연하게 변할 수 있습니다. 큐비트의 힘은 개별적인 상태가 아니라, 조직된 시스템의 일부로서 다른 큐비트들과 협력하는 방식에서 나옵니다.

3. 중첩(Superposition): 선택지를 열어두기

양자 컴퓨터가 독특한 이유 중 하나는 문제를 해결하는 방식에 있습니다. 고전 컴퓨터처럼 단계별로 하나의 경로에만 갇혀 있는 대신, 양자 컴퓨터는 유연하게 여러 가능성을 동시에 탐색한 후 최종 결과에 도달합니다.

이를 중첩이라고 부릅니다.

소음, 열, 진동 등으로부터 차단된 큐비트는 아직 방향을 선택하도록 강요받지 않은 중간 상태에 머물 수 있으며, 측정되기 전까지는 여러 결과가 여전히 가능합니다.

상자 안에서 회전하고 있는 동전과 같습니다. 동전이 돌고 있는 동안에는 앞면도 뒷면도 아니며 두 옵션 모두에 열려 있습니다. 하지만 상자를 열어 확인하는 순간(측정), 그 방해로 인해 동전은 한쪽 면으로 쓰러지며 단 하나의 결과를 선택하게 됩니다.

중첩을 통해 양자 시스템은 계산이 실행되는 동안 충분히 오랫동안 "회전"하며 가장 유용한 답을 향해 여러 경로를 동시에 탐색할 수 있습니다.

4. 간섭(Interference): 중요한 것을 증폭하기

일상 언어에서 '간섭'은 방해를 뜻하지만, 양자 컴퓨팅에서는 훨씬 유용한 의미를 갖습니다.

큐비트들이 중첩 상태에 있을 때, 양자 컴퓨터는 계산이 펼쳐질 수 있는 수많은 가능성을 추적합니다. 간섭은 이러한 가능성들이 결합되는 방식을 설명합니다. 어떤 것들은 서로 일치하여 강화되며 특정 결과가 나타날 확률을 높입니다. 반면 어떤 것들은 서로 상쇄되어 나타날 확률을 낮춥니다.

이는 노이즈 캔슬링 헤드폰이 목소리 패턴과 일치하지 않는 소음은 억제하고, 실제로 들으려는 톤은 증폭하는 원리와 비슷합니다.

이 기술은 자연을 시뮬레이션할 때 특히 강력합니다. 분자와 물질도 동일한 규칙을 따르기 때문입니다. 고전 컴퓨터는 이 복잡한 행동을 고통스럽고 긴 선형적인 결정 트리로 근사치만 계산해야 합니다. 반면 양자 컴퓨터는 간섭을 통해 유의미한 패턴을 두드러지게 함으로써 연구자들이 분자의 행동을 예측하거나 신소재를 탐구하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

5. 얽힘(Entanglement): 관계 속의 큐비트

고전 컴퓨팅에서 정보는 개별 비트 안에 존재합니다. 하지만 양자 컴퓨팅에서는 얽힘이라는 현상을 통해 정보가 큐비트들 사이의 관계 속에 존재할 수 있습니다. 고립된 온/오프 스위치가 아니라 서로 연결된 선택지를 다루는 것입니다.

현실 세계의 문제는 종종 '관계'의 문제입니다. 수많은 요소를 맞춰야 하는 일정 짜기나 경로 찾기가 그렇죠. 고전 컴퓨터는 가능성을 하나씩 테스트하지만, 얽힘은 양자 컴퓨터가 여러 연결된 옵션을 한꺼번에 고려하게 해줍니다. 이를 통해 잘 들어맞는 조합은 더 유력해지고, 맞지 않는 조합은 사라지게 만듭니다.

SF 영화 같지만, 얽힌 큐비트들은 물리적으로 붙어 있을 필요가 없습니다. 이들은 서로를 떼어놓고 설명할 수 없는 공유된 상태로 설정됩니다. 마치 한 쌍의 장갑처럼, 하나가 왼쪽임을 알면 다른 하나가 멀리 떨어져 있어도 즉시 오른쪽임을 알게 되는 것과 같습니다. 한 번 결합되면 이 관계는 큐비트들이 멀리 떨어져도 유지됩니다.

6. 게이트(Gates): 큐비트에게 신호 주기

큐비트는 본질적으로 매우 섬세하고 역동적입니다. 비트처럼 깔끔하고 고정된 상태를 유지하지 않죠. 이들의 행동을 유용하고 반복 가능한 계산으로 활용하려면, 큐비트가 어떻게 변하고 상호작용할지 제어할 정밀한 방법이 필요합니다. 그것이 바로 게이트입니다.

양자 게이트는 큐비트의 상태를 바꾸거나 여러 큐비트를 조율하는 제어된 연산입니다. 게이트는 양자 프로그램을 구축하는 지침입니다. 개발자는 게이트를 사용하여 프로그램을 작성하고, 기계는 정밀한 에너지 펄스(주로 전자기 신호)를 사용하여 큐비트가 특정 방식으로 작동하도록 실행합니다.

개발자들은 때때로 이 지침을 악보(musical score)처럼 작성합니다. 가로줄은 큐비트를 나타내고 기호는 게이트가 작동하는 시점을 표시합니다. 이러한 신호가 없다면 성능(연산)이 나오는 대신 불협화음만 발생하게 됩니다. 게이트는 양자 행동을 계산으로 바꾸는 핵심 도구입니다.

7. 오류 수정(Error correction): 흩어지지 않게 유지하기

양자 시스템은 강력하지만 매우 취약합니다.

큐비트는 주변 환경에 극도로 민감합니다. 약간의 열, 진동, 혹은 떠도는 전자기 신호만으로도 경로를 이탈하고 양자 컴퓨터가 만들려는 패턴을 엉망으로 만들 수 있습니다. 연구자들은 입자가 표류하거나 사라지면서 큐비트를 완전히 잃어버리기도 합니다.

이것이 바로 양자 시스템을 보호하고 냉각하는 데 수많은 노력이 들어가는 이유이며, 오류 수정이 필요한 이유입니다. 오류 수정은 정보를 여러 큐비트에 분산시켜 한 곳의 오류가 전체 계산을 망치지 않도록 합니다.

다시 춤으로 비유하자면, 한 명의 무용수가 비틀거려도 그 여파가 전체 공연을 망치지 않도록 충분한 간격을 두고 대형을 짜는 것과 같습니다. 대형은 흔들림을 흡수하고 전체 시퀀스는 무너지지 않습니다.

큐비트는 읽으려고 시도하는 것만으로도 상태가 방해받기 때문에, 고전 컴퓨터처럼 손상된 파일을 단순히 감지하는 방식으로 수정할 수 없습니다. 따라서 오류 수정 시스템은 양자 컴퓨터가 계산을 실제로 끝낼 수 있을 때까지 상태를 유지하게 해주는 생명선입니다.

8. 결함 허용(Fault tolerance): 궤도 이탈 방지

양자 오류 수정이 도구 상자라면, 결함 허용 양자 컴퓨팅은 그 도구가 충분히 잘 작동하여 계산 도중에 작은 오류가 발생하더라도 컴퓨터가 신뢰성 있게 긴 계산을 수행할 수 있는 단계를 말합니다.

다시 말해, 결함 허용이 "실수가 전혀 없음"을 의미하지는 않습니다. 대신 시스템이 실수가 눈덩이처럼 커지지 않도록 설계되었다는 뜻입니다. 오류가 발생 즉시 감지되고 수정되어 전체 계산이 정상 궤도를 유지합니다.

양자 컴퓨터가 해결해주길 기대하는 복잡한 문제들(예: 화학 반응 시뮬레이션)은 수많은 연산을 순차적으로 실행해야 합니다. 연산이 많을수록 작은 오류가 스며들 기회도 많아지므로, 결함 허용 없이는 계산이 끝나기도 전에 양자 상태가 붕괴됩니다. 결함 허용이 갖춰져야 비로소 더 깊고 유용한 알고리즘을 실행할 수 있습니다.

9. 논리적 큐비트(Logical qubits): 실전 투입 준비

어려운 점은 큐비트를 잠시 안정적으로 유지하는 것이 아니라, 오류를 감지하고 수정하면서 실제 계산을 수행할 수 있음을 입증하는 것입니다. 여러 큐비트가 모여 하나의 안정적인 계산을 수행할 때, 그 시스템은 논리적 큐비트의 영역에 들어섰다고 말합니다. 핵심은 계산 내내 안정성을 유지할 수 있다는 점입니다.

이는 실수 하나에 공연을 멈추지 않는 숙련된 팀의 공연과 같습니다. 무용수 중 누군가 약간의 실수를 하더라도 전체 팀은 혼자서는 절대 할 수 없는 완벽한 안무를 끝까지 소화해냅니다.

연구자들이 논리적 큐비트를 언급한다면, 그것은 양자 오류 수정과 결함 허용이 유용한 계산을 지원할 만큼 충분히 작동한다는 중요한 이정표를 달성했음을 의미합니다. 양자 하드웨어가 계산 중간에 무너지는 '실험 장치'를 넘어, 무언가를 쌓아 올릴 수 있는 '기계'로서 작동하기 시작하는 지점입니다.

10. 위상 큐비트(Topological qubits): 설계부터 안정적으로

오늘날 많은 양자 연구는 발생한 오류를 사후에 수정하는 데 집중합니다. 하지만 하드웨어 자체를 처음부터 덜 민감하게 설계하는 방식도 있는데, 그것이 바로 위상 큐비트입니다.

'위상학(Topology)'은 형태와 연결의 수학입니다. 위상 큐비트에서는 정보가 쉽게 방해받는 단일 입자가 아니라 전체 시스템에 분산되어 저장됩니다. 따라서 큐비트가 본질적으로 더 안정적이고 외부 방해에 강합니다.

여기서 마요라나(Majorana)가 등장합니다. 이탈리아 물리학자 에토레 마요라나의 이름을 딴 이 기술은 마이크로소프트가 탐구 중인 실험적 양자 칩입니다. 이는 오류 수정 소프트웨어에만 의존하기보다 하드웨어 자체에 안정성을 심겠다는 연구적 도박입니다. 실수 후에 수습하는 것이 아니라, 애초에 무대가 흔들려도 공연이 망가지지 않도록 설계하는 것에 가깝습니다.

아직 갈 길이 멀지만, 목표는 내장된 보호 기능을 통해 대규모 양자 시스템을 더 쉽게 제어하고, 세상의 가장 복잡한 문제들을 해결할 수 있는 강력한 기계를 만드는 것입니다.

[테크수다 기자 도안구 eyeball@techsuda.com]