카카오벤처스 딥테크 투자담당 김영무 심사역(Zero)의
‘제로가 직접 말아주는 딥테크 이야기’ 시리즈입니다.

이번 주제는 바로 양자 컴퓨터인데요.

양자 컴퓨터는 그동안 ‘먼 미래의 기술’로만 여겨져 왔습니다. 개념이 처음 제안된 1980년대 이후 꽤 오랫동안 이론 속에 머물렀는데요. 하지만 이제는 현장에서 그 가능성이 재조명되어 활발한 연구가 이루어지고 있습니다.

그렇다면 양자 컴퓨터는 우리가 쓰는 기존 컴퓨터와 무엇이 다르고, 왜 지금 다시 주목받고 있는 걸까요?

이번 글에서는 양자 컴퓨터를 이해하기 위해 꼭 짚고 넘어가야 할 기본 개념들을 정리했습니다.

• (1) 기본 개념 타파하기! 양자역학의 기본과 큐비트의 개념
• (2) 양자 컴퓨터 쌓아올리기: 소프트웨어와 하드웨어, 알고리즘과 논리 게이트
• (3) 양자 컴퓨터 상용화를 위해 남은 과제는?

무시무시한 양자역학의 개념들은 우리에게 익숙한 결정론의 시각과 전혀 달라서, 직관적으로 이해하기 쉽지 않은데요. 오늘은 양자 컴퓨터의 기본 원리를 최대한 쉽게 풀어보려 합니다.

어서 와, 양자역학은 처음이지?

이 글을 쓰고 있는 (고전적인) 컴퓨터와 마찬가지로, 양자 컴퓨터 역시 기반이 되는 물리학과 그 위에 쌓이는 소프트웨어 알고리즘이 서로 맞물려 하나의 구조를 이룹니다. 물리학 위에 정보 체계가 놓이고, 그 위에 단위 구성과 알고리즘이 차곡차곡 더해져 결국 하나의 완전한 컴퓨터가 완성되는 것이죠.

이번 글에서는 가장 아래층인 물리학부터 시작해, 소프트웨어 스택까지 위로 올라가는 과정 그대로 양자컴퓨터를 살펴보겠습니다.

양자역학, 비결정론의 세계로

먼저 우리가 익숙한 고전 컴퓨터부터 떠올려 보겠습니다. 컴퓨터를 비롯해 스마트폰, TV 같은 제품들을 전자제품이라고 부르는데요. 이는 전자기학을 기반으로, 전기가 흐르느냐 흐르지 않느냐에 따라 1 또는 0이 결정되는 이진법을 따르기 때문입니다.

반면, 양자 컴퓨터는 양자역학의 핵심 개념인 ‘중첩’을 활용합니다. 양자역학은 관측하기 전까지는 아무것도 확정되지 않는다는 비결정론적 성격을 가지고 있죠. 이와 관련해 아마 가장 잘 알려진 사례가 바로 ‘슈뢰딩거의 고양이’일 겁니다.

슈뢰딩거의 고양이는 하나의 사고 실험입니다. 과학자가 상자 안에 방사성 원소, 이를 감지하는 방사능 계수기, 독약이 든 병, 그리고 고양이 한 마리를 함께 넣어두었다고 생각해 봅시다. 방사성 원소는 일정 시간 동안 50%의 확률로 붕괴할 수 있고, 붕괴가 감지되면 장치가 작동해 독약 병을 깨뜨립니다.

병이 깨지면 고양이는 죽게 되지만, 붕괴가 일어나지 않으면 고양이는 계속 살 수 있죠. 문제는 방사성 붕괴는 무작위로 일어나기 때문에, 언제 일어날지, 혹은 실제로 일어나긴 할지는 아무도 알 수 없습니다.

그렇다면 상자를 닫고 몇 시간이 흐른 뒤, 고양이는 살아 있을까요?

상자를 열기 전까지 고양이는 죽어 있는 상태이면서 동시에 살아 있는 상태, 즉 서로 다른 두 상태가 함께 존재합니다. 이렇게 관측을 통해 결과가 확정되기 전까지 두 상태가 동시에 존재한다고 설명하는 것이 바로 양자역학의 중첩(superposition)입니다. 양자 상태는 둘 이상의 서로 다른 상태가 합쳐져 있는 것이라고 할 수 있죠.

이어서 양자 컴퓨터에 대한 자세한 내용이 궁금하다면?
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