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미래의 ‘게임 체인저’ 양자 컴퓨터, 해결해야 할 과제는?

기존 컴퓨터와 다른 개념으로 작동…큐비트 구현 방식 발전 필요

[산업일보]
기존의 수퍼 컴퓨터보다 우월한 정보처리 속도를 가질 것으로 예상되는 양자 컴퓨터는 미래 시장 판도를 바꾸는 ‘게임 체인저(Game Changer)’로 꼽힌다. 그러나 실제로 양자 컴퓨터를 구현하려면 아직 해결해야 할 과제들이 산적해 있다.

KOTRA의 ‘미래 사회의 게임 체인저 양자 컴퓨터’ 보고서는 시장 조사 분석업체인 Inside Quantum Technology의 2019년 8월 보고서 결과를 통해 양자 컴퓨터 시장 규모가 2025년 약 7억8천만 달러에서 2029년까지 약 26억만 달러 규모로 성장할 것으로 전망했다.

미래의 ‘게임 체인저’ 양자 컴퓨터, 해결해야 할 과제는?

양자 컴퓨터는 기본 단위로 비트(bit)를 사용하고, 2진법으로 명령을 해석해 수행하는 기존의 컴퓨터와는 전혀 다른 개념의 컴퓨터다. 양자역학의 주요 원리인 중첩(Superstition) 현상과 얽힘(entanglement) 현상 등을 기반으로 구현 및 작동한다.

양자 컴퓨터는 기본 단위로 큐비트(Qubit)를 사용한다. 큐비트는 ‘0’이면서 동시에 ‘1’도 되는 중첩 현상 및 양자 상태에서 어떤 한 계의 상태가 측정을 통해 결정되면, 그 계와 얽혀있는 다른 계의 상태 또한 즉각적으로 결정되는 얽힘 현상을 기반으로 작동한다.

따라서 큐비트의 수가 적어도 많은 경우의 수를 동시 다발적으로 표현할 수 있고, 즉시 여러 결과가 동시에 생성된다. 양자 컴퓨터의 큐비트 수가 증가할수록 동시 처리 가능한 작업의 숫자가 지수 함수적(2n)으로 증가해 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 문제를 해결할 수 있게 된다.

양자 컴퓨터의 빠른 문제 해결력은 복잡한 계산과 빅데이터 처리에 강점을 가지므로 금융·의료·제약·교통·물류·소프트웨어 등 다양한 분야에 혁신을 가져올 것이라 기대를 받고 있다.

그러나 2017년까지 양자 컴퓨터 시장은 기술적 한계 및 동작의 안정성에 대한 의문으로 규모가 크지 않았다. 이후 2018년 구글, IBM, 인텔 등이 각각 수십 큐비트의 양자 프로세서를 공개하면서 양자 컴퓨터 구현에 대한 긍정적 기대감이 형성됐다.

물론 여전히 해결해야 할 과제들은 많이 남아있다. 양자 컴퓨터의 특성을 구현하기 위한 중요한 기술적 요건 중 하나는 큐비트 수다. 양자 상태를 잘 표현할 수 있는 큐비트 수가 증가할수록 양자병렬처리를 통해 정보처리 및 연산 속도가 지수 함수적으로 증가할 수 있기 때문이다.

또한 큐비트의 중첩 및 얽힘을 정밀하게 제어해야 하고, 동작 안정성을 확보해야 하며, 게이트 제어와 동작과정에서의 오류 정정 등을 하는 것이 관건이다. 이를 위해 초전도체, 이온트랩과 같은 기존의 큐비트 구현 방식을 비롯한 제반 기술의 발전이 필요한 시기다.

KOTRA의 구현모 미국 시리콘밸리무역관은 ‘우리나라도 양자암호통신 분야에서 국제기술표준화를 진행 중이다’라며 글로벌 IT업체 관계자의 말을 빌려, 새로운 패러다임을 만들어낼 원천기술인 양자 컴퓨터의 연구개발의 방향을 선도형 전략으로 세워 정부 주도의 기술 개발이 필요하다고 전했다.
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