2화. 양자 컴퓨터의 이해: 비트와 큐비트, 확률을 통한 계산

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양자 컴퓨터의 발전과 보안 암호에의 영향

시리즈 총 7화

2023.02.07

읽는시간 4분

■ 기존의 컴퓨터: 전기의 흐름을 0과 1로 표현하여 계산하는 컴퓨터

○ 기존의 컴퓨터는 0과 1의 이진법을 사용하여 데이터와 정보를 저장하고 처리하는 전자 기기

기존의 컴퓨터는 연산의 기초 단위로 Bit(Binary digit)를 사용하여 0 또는 1로 처리하고 저장하는데, 이것은 스위치의 개념으로 볼 수 있음. 예를 들어, 십진수 13은 2진수 1101로 처리되는데, 4개의 비트를 사용하여 각각의 비트는 스위치가 1(On)-1(On)-0(Off)-1(On)의 상태

전기 신호로 이것을 표현하기 위해서는 전기가 통하는 ‘도체’ 상태와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’ 상태가 필요한데, 외부의 자극을 이용해 전기의 흐름을 조절할 수 있는 ‘반도체’가 이러한 스위치 역할을 하는 것 → 트랜지스터 회로의 중간에 도체 상태와 부도체 상태를 오갈 수 있는 ‘반도체’가 있어 전기가 흐르면 1, 전기가 흐르지 않으면 0을 표현

- 트랜지스터의 세 개의 다리中 두번째 다리(베이스)에 전압을 걸어 전기가 흐르거나 흐르지 않도록 상태를 조절. 트랜지스터 1개가 1비트의 저장용량을 가짐³

- 이러한 트랜지스터 2개를 이용하면 AND, OR 와 같은 논리 연산 회로를 만들 수 있고, 이를 확장하여 사칙연산 및 더욱 복잡한 연산 회로의 제작이 가능

- 컴퓨터의 중앙처리장치인 CPU에는 이러한 트랜지스터 수십억 개가 집적되어 있으며, 흔히, 반도체 제조 공정을 얘기할 때 3나노, 5나노 공정을 사용했다고 표현하는데 이것은 트랜지스터 회로의 선폭 길이가 3nm, 5nm라는 의미⁴. 즉, 5나노 공정은 반도체를 만들 때 5억분의 1미터 정도로 정밀하게 전기회로를 새겨서 제조했다는 뜻

- 통상 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록, 고용량·고성능·고효율의 칩을 통해 컴퓨터의 성능이 향상되며, 제조사별 집적된 트랜지스터의 수는 아래표와 같음

³ 간단히 살펴보는 반도체의 모든 것(이경원, 2019.01.30)

⁴ 1 nm(nano meter)는 10억분의 1미터로, 대략 성인 머리카락 굵기의 10만분의 1에 해당

트랜지스터와 AND 연산 회로

출처: 트랜지스터 설명 – 트랜지스터 작동 방식(유튜브)

칩속의 연산회로 구조 예시

출처: 양자 컴퓨터 초간단 설명하기(유튜브)

컴퓨터 중앙처리장치(CPU) 예시

출처: 양자 컴퓨터 초간단 설명하기(유튜브)

반도체 공정에 따른 트랜지스터 수 비교

출처: Wikichip, AnandTech, 단위: 1mm2 당 갯수(백만개)

■ 양자 컴퓨터: 양자역학의 원리를 통해 동시에 여러 경우의 수를 표현하고 빠르게 계산

○ 컴퓨터 칩의 집적도를 높여 컴퓨팅 파워를 높이려는 노력과 함께, 동시에 여러 가지 상태를 가질 수 있는 양자⁵의 성질을 컴퓨터 계산에서 활용할 수 있다면 기존 컴퓨터에 비해 연산 능력을 획기적으로 확장할 수 있지 않을까 라는 아이디어를 바탕으로 양자 컴퓨터 연구가 시작

○ 양자 컴퓨터는 연산의 기초 단위로 큐비트(Qubit: Quantum Bit)를 사용하여 만들어진 컴퓨터

양자는 입자이면서 동시에 파동이라는 이중성을 가지며, 동시에 여러 상태를 가질 수 있다는 양자역학의 원리를 이용 → 비트는 0과 1중 하나만 표현하는 것과 달리 큐비트는 0과 1의 값을 한번에 표현

⁵ 양자는 매우 작은 물질이나 양의 단위를 가리키는 말로 전자, 양성자, 중성자, 광자 등의 단위 입자를 총칭하는 용어

1비트

출처: 작성자 재구성

1큐비트

출처: Quantum Computing(ResearchGate, 2019.01)

즉, 기존의 컴퓨터에서는 4개의 비트로 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111,1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111를 한번에 하나씩 표현 가능
반면, 양자 컴퓨터는 하나의 큐비트가 0과 1의 2가지 경우를 동시에 나타날 수 있으므로, 4개의 큐비트만으로 16(=2⁴)가지의 경우를 한번에 표현할 수 있음

4비트 표현

출처: 작성자 재구성

4큐비트 표현

출처: Quantum Computing(ResearchGate, 2019.01)

○ 양자 컴퓨터는 큐비트를 이용해 수 많은 경우의 수를 동시에 표현하고 빠르게 계산하는 컴퓨터

양자 컴퓨터에서는 큐비트의 수를 늘려갈수록 기존의 컴퓨터보다 훨씬 많은 경우의 수를 표현할 수 있어 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산이 가능

- 기존의 컴퓨터가 4비트를 가지고 있는 경우, 위의 16가지 경우를 모두 처리하기 위해서 한번에 한가지씩 총 16번의 반복이 필요, 반면, 양자 컴퓨터가 4큐비트를 가지고 있는 경우, 16가지 경우를 한 번에 처리할 수 있음

4비트 정보의 처리

출처: 작성자 재구성

4큐비트 정보의 처리

출처: 작성자 재구성

만약, 큐비트의 수가 10개라면 2¹⁰(=1,024)개의 경우의 수를, 20개라면 2²⁰(=1,048,576)개의 경우의 수를 한 번에 표현하고 처리할 수 있다는 것

앞서 언급한 구글 시카모어의 경우 53큐비트로 구현되어 있는데, 이론상 2⁵³, 약 1경(9007조 1993억)개의 경우의 수를 한 번에 표현하고 처리할 수 있으며, 이러한 53개의 큐비트를 활용해 200초간 백만 번의 연산을 수행했다고 네이처 논문을 통해 발표한 것⁶

- 재미있는 점은 0.2 입방밀리미터(mm³)의 초전도체 소자 53개를 나열한 양자 칩 1개가 2019년 당시 최고 성능의 슈퍼 컴퓨터인 IBM 서밋(Summit)⁷을 이겼다며, ‘IBM의 슈퍼 컴퓨터로 동일한 연산에 1만년의 시간이 걸린다’고 주장한 것인데,

- IBM 연구진은 ‘구글이 제시한 문제 자체가 양자 컴퓨터에 극히 유리한 연산 문제로 슈퍼 컴퓨터의 알고리즘을 개선하면 2.5일 만에 풀 수 있으며, 성능을 최적화하면 더욱 빠르게 풀 수 있다’고 논평했지만, 구글이 달성한 양자 컴퓨터의 성과 자체는 인정⁸

⁶ Quantum supremacy using a programmable superconducting processor(Nature, 2019.10.23)

⁷ 수 만개의 이미지 처리 반도체(GPU)와 수 천개의 중앙처리장치(CPU), 10페타(1000조)바이트의 메모리를 가진 IBM의 슈퍼컴퓨터로 반도체 소자수가 메모리만으로 1경(京)개 이상이라고 알려짐(IBM 웹사이트)

⁸ Quantum Computing: On “Quantum Supremacy” (IBM Research Blog, 2019.10.21)

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김진욱

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총 7화

양자 컴퓨터의 발전과 보안 암호에의 영향

6화. 시사점 및 제언

2023.02.07 김진욱

5화. 양자 컴퓨터 개발의 한계

2023.02.07 김진욱

4화. 양자 컴퓨터의 활용 가능성과 보안 암호에 대한 위협

2023.02.07 김진욱

3화. 양자 컴퓨터의 발전: 다양한 방식을 통한 큐비트의 구현

2023.02.07 김진욱