양자 컴퓨팅의 지평: 엔지니어의 관점

2025년 국제 양자 과학 기술의 해를 맞아 양자 컴퓨팅의 실용성과 엔지니어적 고민 고찰

2025년 국제 양자 과학 기술의 해를 맞아 컴퓨터, 센서, 암호학에서 양자 역학의 실용적 응용에 대해 생각하기 시작했습니다. 그리고 엔지니어의 관점에서 이러한 것들을 생각하는 것이 꽤 도전적임을 알게 되었습니다.

파인만의 통찰과 양자 컴퓨팅의 태동

"양자 전기역학" 연구로 노벨상을 받은 리처드 파인만(Richard Feynman)이 아무도 양자 역학을 진정으로 이해하지 못한다고 생각했다면, 어떻게 요즘这么 많은 사람들이 양자 컴퓨터가 다음 큰 것이 될 수 있는지 이야기할 수 있을까요? 반면 파인만 자신은 1982년 "양자 시스템을 정확하게 모델링하려면 과학자들은 또 다른 양자 시스템을 구축해야 한다"고 말하며 양자 컴퓨터의 이론적 토대를 마련했습니다. 그 다른 시스템이 우리가 이제 양자 컴퓨터라고 부르는 것입니다.

양자 컴퓨팅의 시장 전망과 잠재력

예를 들어 Tech Briefs 웹사이트 기사에 따르면 양자 컴퓨팅 분야는 2030년까지 650억 달러에 달할 것으로 예상됩니다. 또 다른 기사에서는 "양자 컴퓨터는 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터들보다 수백만 배 더 빠르게 인간 건강, 신약 발견, 인공지능의 복잡한 문제를 해결할 잠재력을 가지고 있다"고 읽었습니다.

확률적 답변의 난제

혼란을 가중시키는 것은 "양자 컴퓨터의 답은 확률 분포에서 도출됩니다. 양자 컴퓨터는 답에 대한 구체적인 값을 주지 않습니다. 특정 값이 올바른 해답일 가능성이 얼마나 되는지 알려줍니다. 답이 '퍼지(fuzzy)'합니다. 불행히도 양자 알고리즘을 한 번만 실행하는 것으로는 충분하지 않습니다. 가능한 한 '올바른' 답에 가까워지기 위해 컴퓨터 과학자들은 이 계산을 여러 번 실행합니다. 각 샘플이 불확실성을 줄입니다. 컴퓨터는 가장 정확한 분포에 가능한 한 가까워지기 위해 알고리즘을 수천 번, 심지어 그 이상 실행해야 할 수 있습니다. 하지만 장점이 있습니다: 양자 컴퓨터가 이 알고리즘을 너무 빨리 실행하기 때문에 여전히 고전적 컴퓨터보다 훨씬 더 빠르게 결과를 생성할 잠재력을 가지고 있습니다."

양자 역학을 깊이 이해하지 않고 사용하는 아이디어는 받아들일 수 있지만, 엔지니어로서 저는 양자 컴퓨터에서 나온 답이 확률뿐이라는 것을 사용하는 데 실제 어려움이 있습니다. 엔지니어로서 저는 실제 문제에 대한 고정되고 실행 가능한 솔루션을 찾는 데 익숙해 있습니다. 예를 들어 엘리베이터 버튼을 누르면 엘리베이터가 내 층에 아마도 올 것이라는 답이 아닌 말입니다.

NIST 물리학자 타라 포티에의 양자 역학 5가지 개념

제가 접한 양자 컴퓨팅에 대한 최고의 설명 중 하나는 NIST 물리학자 타라 포티에(Tara Fortier)의 "수학 없이 양자 역학과 기술을 이해하는 데 도움이 되는 5가지 개념"이었습니다. 그녀는 "퍼지함"이 양자 컴퓨팅의 필수적 특징이지만 그것이 결함은 아니라고 설명합니다. "고전 물리학은 야구공과 행성처럼 볼 수 있는 것들의 움직임을 지배합니다. 양자 물리학은 우리가 쉽게 볼 수 없는 세계입니다. 양자의 어떤 부분이 고전 물리학과 실질적으로 다르다면, 양자 규모의 물리학은 입자성이 있을 뿐만 아니라 퍼지하다는 것입니다."

하지만 포티에 박사는 자연 자체도 퍼지하다고 지적합니다. 디지털 이미지를 확대하면 명확한 경계를 가진 개별 픽셀로 구성된 것처럼 보입니다. 하지만 "픽셀을 구성하는 원자와 아원자 입자로 확대할 수 있다면, 아원자 입자들이 잘 정의되지 않았음을 볼 수 있을 것입니다. 그들의 경계와 행동은 다소 불분명합니다. 이는 연필과 자로 '완벽한' 선을 그리는 것과 비슷합니다. 그 선을 현미경으로 보면 가장자리가 직선보다 더 흔들거리는 것처럼 보일 것입니다."

그러므로 양자 컴퓨터는 디지털 컴퓨터가 세상의 표본만 주는 것보다 세상이 실제로 어떻게 있는지에 더 가깝게 정렬된 방식으로 세상을 본다고 말할 수 있을 것입니다.

아인슈타인의 '기묘함'과 양자 얽힘

하지만 여전히 아인슈타인이 말했듯이 양자 행동은 기묘합니다(spooky).

포티에의 기사는 일부 양자 행동을 더 접근 가능하게 만들지만 여전히 저에게 소화하기 매우 어렵습니다. 예를 들어 어릴 때부터 들어왔던 것: 빛은 파동이자 입자입니다. 때로는 무지개를 주는 빛 파동처럼 한 방식으로 행동하지만, 태양광 패널에 빛이 닿으면 입자처럼 행동합니다. 이해하기 어렵지만, 두 방식 모두에서 유용할 수 있다고 그냥 받아들이고 제 우려를 내려놓을 수 있습니다.

그리고 "하이젠베르크 불확정성 원리, 측정 행위가 물체의 양자 상태를 교란시킨다"는 것이 있습니다. 그렇다면 측정이 그것들을 교란시키는데 어떻게 양자 입자들의 상태를 기반으로 컴퓨터를 구축할 수 있을까요?

하지만 저에게 가장 기묘한 것은 양자 얽힘입니다. 한 입자의 양자 상태가 다른 입자의 상태와 상관관계가 있습니다. 아무리 멀리 떨어져 있어도. 그래서 한 입자를 측정하면 파트너의 상태에 영향을 미칩니다. 그런데 얽힘에 실용적 용도가 있습니다. 안전한 암호화 키입니다.

이 모든 것이 저로 하여금 실용적 양자 컴퓨터를 개발하기 위해 과학 이상의 것이 필요하다고 생각하게 만듭니다. 엔지니어들은 자신들이 진정으로 이해할 수 없는 기술과 함께 일하는 것을 받아들여야 할 것입니다.

수십 년간 EE로 일한 후 SAE 미디어 그룹의 에드 브라운(Ed Brown)은 기술 편집자로서 제2의 경력을 잘 이어가고 있습니다.

"엔지니어 시절을 돌이켜보고 편집자로서 최신 기술을 보며, 제 엔지니어링 경험에 비추어 지금 일어나고 있는 일에 대해 많은 생각이 들었고, 이제 그것들을 공유하고 싶습니다."