지평선 위의 양자 컴퓨팅:엔지니어의 관점

에드 브라운

(이미지 :phonlamaiphoto / Adobe Stock)

2025년 세계 양자과학기술의 해를 맞이하면서 저는 양자역학을 컴퓨터, 센서, 암호학 분야에 실용적으로 적용하는 방법에 대해 고민하기 시작했습니다. 그리고 엔지니어의 관점에서 이러한 것들을 생각하는 것은 상당히 어려운 일이라고 생각합니다.

“양자전기역학” 연구로 노벨상을 수상한 리처드 파인만(Richard Feynman)이 양자역학을 정말로 이해하는 사람이 아무도 없다고 생각했다면, 요즘 어떻게 그렇게 많은 사람들이 양자 컴퓨터가 차세대 기술이 될 것이라고 이야기할 수 있겠습니까? 한편, 파인만은 1982년에 “양자 시스템을 정확하게 모델링하려면 과학자들이 또 다른 양자 시스템을 구축해야 한다”고 말하면서 양자 컴퓨터의 이론적 토대를 직접 제시했습니다. 그 또 다른 시스템이 바로 우리가 양자 컴퓨터라고 부르는 것입니다.

예를 들어 Tech Briefs의 기사에 따르면 웹사이트에 따르면 양자 컴퓨팅 분야는 2030년까지 650억 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 또 다른 기사에서는 "양자 컴퓨터는 세계에서 가장 빠른 일부 슈퍼컴퓨터보다 수백만 배 빠르게 인간 건강, 신약 개발 및 인공 지능의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다."

더욱 혼란스러운 점은 '양자 컴퓨터의 답은 확률 분포에서 도출됩니다. 양자 컴퓨터는 답에 대한 특정 값을 제공하지 않습니다. 양자 컴퓨터가 하는 일은 가능성이 얼마나 되는지 알려주는 것입니다. 특정 값이 올바른 솔루션이 되는 것입니다.” — 그들의 답변은 '모호합니다.' “안타깝게도 양자 알고리즘을 한 번만 실행하는 것만으로는 충분하지 않습니다. '올바른' 답에 최대한 가까워지기 위해 컴퓨터 과학자들은 이러한 계산을 여러 번 실행합니다. 각 샘플은 불확실성을 줄여줍니다. 가장 정확한 분포에 최대한 가까워지려면 컴퓨터가 알고리즘을 수천 번 또는 그 이상 실행해야 할 수도 있습니다.” 하지만 장점도 있습니다. "양자 컴퓨터는 이러한 알고리즘을 매우 빠르게 실행하므로 여전히 기존 알고리즘보다 훨씬 더 빠르게 결과를 생성할 수 있는 잠재력이 있습니다."

좋아요, 양자역학을 깊이 이해하지 않고도 사용한다는 아이디어를 받아들일 수는 있지만 확률에 불과한 양자 컴퓨터의 답을 사용하는 데는 실제로 어려움이 있습니다. 엔지니어로서 저는 예를 들어 엘리베이터 버튼을 누르면 엘리베이터가 아마 내 층으로 오세요.

SAE Media Group의 Ed Brown은 수십 년 동안 EE로 일한 후 두 번째 경력인 기술 편집자에 들어섰습니다.

“엔지니어링 시절을 되돌아보고 편집자로서 최신의 최고의 기사를 모두 보면서 깨달았습니다. 엔지니어링 경험을 바탕으로 지금 무슨 일이 일어나고 있는지에 대해 많은 생각을 하고 있으며 그 중 일부를 지금 공유하고 싶습니다.”

제가 접한 양자 컴퓨팅에 대한 가장 좋은 설명 중 하나는 국립 표준 기술 연구소(NIST) 물리학자 Tara Fortier의 다음과 같습니다. “5가지 개념은 수학 없이도 양자 역학과 기술을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다!” 그녀는 "퍼지성"이 양자 컴퓨팅의 필수 기능이지만 이는 결함이 아니라고 설명합니다. "고전물리학은 야구공이나 행성 등 우리가 볼 수 있는 사물의 움직임을 관장한다. 양자물리학은 우리가 쉽게 볼 수 없는 세계이다. 양자의 어떤 부분이 고전물리학과 크게 다르다면, 양자 규모의 물리학은 세분화될 뿐만 아니라 모호하다는 점이다."

그러나 포티어 박사는 자연 자체가 모호하다고 지적합니다. 디지털 이미지를 확대하면 개별 픽셀로 구성되어 경계가 잘 정의된 것처럼 보입니다. 그러나 "픽셀을 구성하는 원자와 아원자 입자를 확대하면 아원자 입자가 잘 정의되지 않은 것을 볼 수 있습니다. 경계와 동작이 다소 불분명합니다. 이는 연필과 자로 '완벽한' 선을 그리는 것과 유사합니다. 현미경으로 그 선을 보면 가장자리가 직선보다 더 흔들리게 보입니다."

따라서 양자 컴퓨터는 세상의 샘플만 제공하는 디지털 컴퓨터보다 세상의 실제 모습과 더 밀접하게 일치하는 방식으로 세상을 본다고 말할 수 있을 것 같습니다.

하지만 여전히 아인슈타인이 말했듯이 양자 행동은 으스스합니다.

Fortier의 기사는 일부 양자 행동을 더 접근하기 쉽게 만들었지만 여전히 소화하기가 매우 어렵습니다. 예를 들어, 제가 어렸을 때부터 들었던 것 중 하나는 빛은 파동이자 입자라는 것입니다. 때로는 빛의 파동이 우리에게 무지개를 주는 것처럼 한 방향으로 행동하지만, 빛이 태양 전지판에 닿으면 입자처럼 행동합니다. 그 점을 이해하기는 어렵지만 불안감을 떨쳐버리고 두 가지 측면 모두에서 유용할 수 있다는 사실을 받아들일 수 있습니다.

그리고 "측정 행위가 물체의 양자 상태를 교란시킨다는 하이젠베르크의 불확정성 원리"가 있습니다. 그렇다면 측정으로 인해 양자 입자의 상태가 방해를 받는 경우 어떻게 컴퓨터의 기반을 양자 입자의 상태로 만들 수 있습니까?

하지만 나에게 있어서 가장 으스스한 것은 양자 얽힘입니다. 한 입자의 양자 상태는 서로 얼마나 멀리 떨어져 있더라도 다른 입자의 상태와 상관관계가 있습니다. 따라서 하나의 입자를 측정하면 파트너의 상태에 영향을 미칩니다. 그러나 얽힘에는 안전한 암호화 키라는 실용적인 용도가 있습니다.

이 모든 것이 실용적인 양자 컴퓨터를 개발하려면 과학 이상의 것이 필요하다는 생각을 갖게 합니다. 엔지니어는 자신이 실제로 이해할 수 없는 기술로 작업하는 것을 받아들여야 할 것입니다.