양자 컴퓨팅 (Quantum Computing)은 양자 역학의 원리를 활용하여 정보를 처리하는 획기적인 분야이므로, 기술 및 과학계에 혁명을 일으킬 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘과 같은 양자비트 또는 큐비트의 특별한 특성을 활용하여 기존 컴퓨팅 시스템의 한계를 뛰어넘어 전례 없는 속도, 효율성 및 정확성을 제공할 수 있는 역량을 갖추고 있다.
선형적인 방식으로 작동하는 기존 컴퓨터와 비교하면 양자 컴퓨팅은 근본적으로 다른 수준에서 작동한다. 이러한 근본적인 차이 덕분에 양자 컴퓨터는 복잡한 계산과 알고리즘을 기하급수적으로 더 빠르고 더 정밀하게 처리할 수 있어서다. 따라서 양자 컴퓨팅의 출현은 다양한 영역, 특히 인공지능(AI) 영역에서 혁신적인 발전을 위한 길을 열어준다.
양자 컴퓨팅 (Quantum Computing)이란 무엇인가?
비유를 통해 양자 컴퓨팅의 개념을 살펴보면 된다. 큰 도서관에서 특정 책을 찾으려고 한다고 가정해 보자. 기존 컴퓨팅에서는 원하는 책을 찾을 때까지 각 책장과 책을 하나하나 살펴보면서 책을 검색한다. 이러한 선형적인 접근 방식은 시간이 많이 소요되고 비효율적일 수 있으며, 특히 찾고자 하는 책이 도서관의 맨 끝에 있는 경우 더욱 그렇다.
하지만 양자 컴퓨팅을 활용하면 도서관에 있는 각 책이 서로 다른 가능성이나 해결책을 나타낸다고 볼 수 있다. 양자 컴퓨터는 선형적으로 검색하는 대신 중첩이라는 개념 덕분에 모든 책을 동시에 탐색할 수 있다. 양자 컴퓨터는 가능한 모든 경로를 한 번에 고려하고 원하는 책의 위치를 즉시 파악할 수 있다.
양자 컴퓨팅은 0과 1을 결합하여 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있는 큐비트를 활용한다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 병렬 연산을 수행하고 기존 컴퓨터가 같은 작업을 수행하는 데 걸리는 시간보다 훨씬 짧은 시간에 방대한 가능성을 분석할 수 있다.
인공지능에 미치는 영향
앞서 언급했듯이, 양자 컴퓨팅은 산업 전반에 걸쳐 다양한 사용 사례가 있으며 복잡한 문제를 해결하는 데 도움이 된다. 몇 가지 사용 사례를 아래에 설명한다.
교통 관리
중환자를 태우고 출퇴근 시간대 교통 체증을 뚫고 달리는 구급차를 상상해 보면 된다. 운전자는 신속하고 효율적인 이동을 위해 가장 혼잡이 적은 경로를 긴급히 파악해야 한다. 기존 컴퓨터는 도로 상황을 차례대로 분석하는 반면, 양자 컴퓨팅은 모든 잠재적 경로를 동시에 평가하여 가장 최적의 경로를 신속하게 결정할 수 있는 놀라운 능력을 보유하고 있다.
의료
복잡한 질환을 앓고 있는 중환자를 치료하는 경우, 병원에서는 다양한 분야의 전문가로 구성된 의료위원회를 소집하는 경우가 많다. 이러한 전문가들은 다양한 치료 옵션을 탐색하고 가장 효과적인 솔루션을 찾기 위해 협력한다. 하지만 이러한 접근 방식은 시간이 오래 걸리고 의사 결정이 지연될 수 있다. 반면에 양자 컴퓨팅은 이 과정을 혁신할 수 있는 잠재력이 있다.
양자 컴퓨팅 시스템에 다양한 가능성을 입력하고 유사한 의료 상태에 해당하는 과거 데이터를 제공함으로써 양자 컴퓨팅은 각 접근법의 잠재적 효과를 신속하게 평가하고 최적의 제안을 제공할 수 있다. 이러한 퀀텀의 이점을 통해 의료 전문가들은 횔씬 더 짧은 시간 내에 귀중한 인사이트를 얻을 수 있다.
머신러닝
양자 컴퓨팅은 올바른 데이터를 더 빠르게 제공함으로써 머신러닝을 위한 이상적인 단계를 제공할 수 있다. 머신러닝은 컴퓨터가 데이터를 통해 학습하고 인간의 두뇌처럼 패턴을 생성하거나 이해할 수 있도록 하는 것이다. 그러나 많은 경우 머신러닝은 데이터의 품질이 낮고 데이터 가용성이 느리다는 제약이 있을 수 있다. 양자 컴퓨팅은 잠재적으로 많은 양의 데이터를 빠르게 계산하여 머신러닝에 제공할 수 있다.
암호학 및 보안
암호학과 보안은 무단 액세스로부터 데이터를 보호하는 것이다. 양자 컴퓨팅은 잠재적으로 데이터에 대한 무단 액세스가 이전보다 훨씬 어려워지는 새로운 차원의 암호화와 보안을 구현할 수 있다. 그러나 암호화와 보안에서 양자 컴퓨팅의 역할을 바라보는 관점에는 두 가지가 있다. 한 가지 견해는 양자 컴퓨팅이 큐비트를 사용하여 가능한 모든 데이터 유출 시도를 계산하고 적절한 데이터를 제공하여 정보를 강화할 수 있다는 것이다. 그러나 반대 견해는 해커가 양자 컴퓨팅을 사용하여 기밀 데이터가 포함된 서버를 침해할 수 있는 다양한 방법을 빠르게 계산할 수 있기 때문에 양자 컴퓨팅이 역효과를 낼 수 있다는 것이다.
비평
양자 컴퓨팅이 잠재적으로 제공할 수 있는 엄청난 이점이 있음에도 몇 가지 단점이 있다. 그렇다고 해서 양자 컴퓨팅이 안 좋은 개념이라는 뜻은 아니며, 양자 컴퓨팅에 관한 이야기 중 어느 정도는 과장이고 어느 정도는 실질적인지 먼저 파악할 필요가 있다는 의미다. 다음은 양자 컴퓨팅에 대한 과대광고에 대한 현실 점검을 제공하는 몇 가지 사항이다.
- 양자 컴퓨팅은 비용이 많이 들기 때문에 지금까지는 대규모의 지속적인 예산이 없는 조직에서는 접근하기 어려웠다. 양자 컴퓨팅 스튜디오는 컴퓨터가 막 보급되기 시작했을 때의 컴퓨터실과 비슷하다. 컴퓨터실은 거대하고 비싸며 유지보수가 필요하다. 예산이 작은 조직이 감당할 수 없다는 뜻이다.
- 양자 컴퓨팅은 일반 컴퓨팅보다 더 효과적일 수 있지만 잡음이나 데이터에 매우 민감하다. 즉, 양자 컴퓨팅에 입력하는 데이터는 정확하고 양자 컴퓨팅이 허용하는 형식이어야 하며, 그렇지 않으면 오류가 발생할 수 있다. 오류 수정은 양자 컴퓨팅의 가장 큰 과제 중 하나였다. 잡음을 처리할 수 없을 때 발생하는 오류는 매우 복잡하고 수정하는 데 많은 시간이 소요된다.
- 양자 컴퓨팅의 오용에 대한 우려는 매우 크다. 양자 컴퓨팅은 모든 한계에도 불구하고 가장 강력한 암호화를 해독할 수 있다. 악의적인 의도를 가진 해커가 양자 컴퓨팅을 사용할 때 발생할 수 있는 재앙적인 결과를 생각했을 때 각국은 이와 관련하여 선점 우위를 확보하기 위해 노력해 왔다. 미국의 조 바이든 대통령은 양자 컴퓨팅 사이버 보안 대비 법안에 (Quantum Computing Cybersecurity Preparedness Act) 서명하여 미국 관리예산실(OMB)가 양자 컴퓨팅을 채택할 수 있도록 했다. 그러나 모든 국가가 일률적으로 양자 컴퓨팅을 도입하는 것은 불가능하며, 이러한 불평등은 국가 간 문제를 일으킨다.
결론
다양한 사용 사례에서 볼 수 있듯이 양자 컴퓨팅은 엄청난 일을 해낼 수 있는 잠재력이 큰 기술이다. 하지만 비용, 지속 가능성, 경제성, 데이터 가용성, 윤리 문제 등이 여전히 존재한다. 이 중 데이터 가용성과 윤리 문제는 시간이 지남에 따라 비용이 감소할 것으로 예상하므로 이 기술이 직면한 가장 큰 도전 과제인 것으로 보인다. 특정 국가는 양자 컴퓨팅의 개발을 가속하는 측면에서 앞서 있지만, 이러한 국가가 다른 국가에 해로운 방식으로 양자 컴퓨팅을 사용하지 않을 것이라는 보장이나 프레임워크는 없다.
