(정보) "양자컴퓨터"는 무엇인가

2차전지테마가 주식시장에서 엄청난 상승을 보여준 후 초전도체, 맥신 등의 테마주가 생겼습니다. 여기에 오늘의 주제인 양자컴퓨터 또한 테마가 생겼습니다. 그런데 2차전지, 초전도체, 맥신, 양자컴퓨터에 대해 어느정도 알고 계시나요? 

저의 경우 2차전지와 초전도체는 어느정도 개념은 잡고 있습니다. 그런데 맥신과 양자컴퓨터는 잘 모르겠더라구요. 

양자컴퓨터의 경우 '양자역학을 이용한 컴퓨터인가?' 라고만 생각하고 무엇인지 어떤 원리인지 등등은 전혀 모르겠더라구요. 그래서 양자컴퓨터와 관련해서 공부를 하면서 나름대로 정리를 해보았습니다. 

 

 

 

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[양자컴퓨터는 무엇일까?]

양자컴퓨터(Quantum Computer)는 양자역학 원리를 기반으로 동작하는 컴퓨터로 디지털 컴퓨터와 다른 원리로 정보를 처리하는 기술을 가진 컴퓨터입니다. 

디지털 컴퓨터는 '0'과 '1'로 이루어진 비트(bit)를 사용해 정보를 저자아하고 처리합니다. 그런데 양자컴퓨터는 큐비트라고 부르는 양자역학의 특성을 사용해 정보를 표현합니다. '0'과 '1' 뿐만 아니라 양자 상태의 선형 조합으로도 표현될 수 있어서 복잡한 문제를 동시에 처리할 수 있는 잠재력을 갖추고 있습니다.

 

 

[양자컴퓨터의 원리는 무엇일까?]

양자컴퓨터가 기존 디지털 컴퓨터와 다른 방식으로 데이터를 표현하고 연산을 수행하는 원리를 알아보면 다음의 개념을 알아봐야 합니다.

 

1. 양자비트(큐비트)

기존 디지털 컴퓨터의 '0'과 '1'의 비트 대신 사용하는 것으로 양자역학의 특성을 이용해 '0'과 '1' 사이의 선형 조합인 수학적 벡터로 표현되는데 이 선형 조합으로 큐비트는 동시에 다양한 상태를 가질 수 있는 특성을 가집니다.

 

2. 양자 얽힘

양자 얽힘이란 서로 강하게 연결되는 현상을 말합니다. 이렇게 되면 두 개의 큐비트가 얽히면 하나의 큐비트의 상태가 바뀌면 다른 큐비트의 상태도 변화되는 특성을 가지게 됩니다. 이러한 얽힘의 특성을 활용하면 복잡한 계산을 빠르게 수행할 수 있게 합니다.

 

3. 양자 중첩

양자 중첩이란 하나의 큐비트가 동시에 여러 상태를 가질 수 있는 특성을 말합니다. 이러한 중첩의 특성을 이용하면 하나의 양자컴퓨터가 다양한 계산을 병렬로 처리할 수 있습니다.

 

4. 양자 게이트

양자 컴퓨터에서 연산을 수행하기 위해 사용하는 것으로 양자 상태에 특정한 변화를 가하는 연산을 말합니다. 이 게이트들을 연결,조합해서 복잡한 연산을 수행할 수 있습니다.

 

이러한 원리들을 이용하면 기존 컴퓨터에서 수행하지 못한 복잡하고 어려운 정보처리도 가능하게 하고, 그 속도 또한 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 정보처리 수행 능력을 갖게 됩니다.

 

 

[양자컴퓨터의 장점은 무엇일까?]

위에서 살펴봤던 양자컴퓨터의 원리를 토대로 양자컴퓨터가 작동된다면 다음과 같은 장점이 있습니다.

 

1. 병렬 처리

위에서 봤던 양자컴퓨터 원리 중 양자 중첩과 얽힘의 특성을 활용하면 병렬 처리를 수행할 수 있게 됩니다. 병렬 처리가 되면 복잡한 문제라도 동시해 처리하는 능력이 있어서 기존 컴퓨터보다 빠른 계산이 가능해집니다.

 

2. 최적화 문제 해결

'최적화'란 최선의 결과를 찾는 것을 말합니다. 즉, 어떤 문제를 어떻게 하면 좋을지 그 결과를 찾는 것인데 기존 컴퓨터와 다르게 양자컴퓨터는 이 최적화 문제를 빠르게 해결하는 강점이 있습니다. 이렇게 된다면 에너지, 물류, 금융 등 다양한 분야에서 유용하게 활용될 수 있습니다.

 

3. 암호 해독

특정 암호화 알고리즘을 빠르게 해독하는 데 활용할 수 있습니다. 이는 보안 분야에서 활용이 가능합니다.

 

4. 물리학과 과학 연구

물리학적인 문제나 물질 분자 구조 등 복잡한 과학적 문제해결에 활용이 가능합니다.

 

5. 빅데이터 분석

복잡한 데이터 집합을 분석하고 처리하는데 빠른 속도를 가집니다.

 

6. 양자 시뮬레이션

양자는 우리 눈에 보이지 않을 뿐더러 우리가 관찰하기에 어렵습니다. 그래서 양자역학이라는 학문이 어렵다고들 하죠. 그런데 양자컴퓨터는 양자 시스템의 동작을 시뮬레이션하고 이해하는 데 유용하게 쓰입니다. 이렇게 되면 화학, 물리학, 물류 분야 등에 응용 가능하게 됩니다.

 

 

 

[양자컴퓨터는 어디에 사용될까?]

양자컴퓨터가 상용화가 되면 어느 분야에서 사용을 하게 될까요? 이미 위에서 잠깐 언급이 되었던 것들도 있지만 그래도 다시 한 번 언급하면서 이야기해보겠습니다.

일단 아까 최적화 문제를 빠르게 해결한다고 했습니다. 이는 물류, 에너지, 금융 분야에서 활용될 수 있습니다.

암호 해독을 통해서는 보안 분야에서 활용이 가능합니다.

물리학 연구 및 양자 시뮬레이션이 가능하다는 점은 과학, 곧 물리학적이거나 물질 분자 구조 같은 복잡한 과학적 문제 해결, 화학, 물리학 연구에 활용이 가능합니다.

인공지능 및 기계 학습 분야에 활용이 될 수 있습니다. 이는 양자 기반 알고리즘을 통해 패턴 인식, 데이터 분석 등의 작업이 더 빨리 수행될 수 있습니다.

그 외에도 새로운 재료의 특성을 예측하고 설계하는 재료 디자인, 환경 문제와 관련된 복잡한 모델링과 시뮬레이션을 하는 환경 모델링, 약물 디자인 및 유전자 분석 등을 통한 의료 분야 등에도 사용이 가능하게 됩니다.

 

그런데 이것 이외에도 다양한 산업과 분야에 활용이 가능합니다. 여기서 언급한 것은 일부에 불과하죠. 그렇다면 양자컴퓨터의 활용은 굉장히 다양하다는 것을 알 수 있고, 이 말은 양자컴퓨터의 상용화는 세상의 변화를 의미합니다.

 

 

[양자컴퓨터가 가지고 있는 한계점은 무엇일까?]

양자컴퓨터 기술은 아직 연구개발이 초기단계입니다. 이 말은 상용화하기 위해 넘어야할 산, 즉 한계점 및 어려움들이 있다는 것을 의미합니다. 한계점이 있다는 말은 이 한계점을 극복하고 기술의 보완이 된다면 상용화가 된다는 말이겠죠? 그렇다면 이 어려움들은 무엇이 있을까요?

 

1. 양자 비트의 불안정성

아까 양자 비트를 큐비트라고도 불렀습니다. 이 큐비트는 민감하게 변화하는 상태를 가지는데 이로 인해 외부 환경의 영향을 받게되면 오류가 발생합니다. 

 

2. 양자 상호작용의 복잡성

양자컴퓨터의 원리 중 얽힘과 중첩은 매우 강력합니다. 사실 위에서 보았을 때 이 얽힘과 중첩은 가장 핵심적인 원리라고 말할 수 있겠네요. 그런데 이 얽힘과 중첩은 관리하기가 어렵고 상호작용 또한 복잡합니다. 그래서 양자 상태를 제어하고 조작하는 것이 어렵습니다.

 

3. 오류 보정의 어려움

양자컴퓨터는 오류가 발생하기 쉬운데, 이 오류를 금방금방 보정한다면 사용에 어려움이 없겠죠. 그런데 이 오류를 보정하고 오류를 처리하는 기술 개발이 어렵습니다. 

 

4. 확장성의 문제

양자컴퓨터가 복잡한 계산을 수행하려면 많은 수의 큐비트가 필요합니다. 그런데 큐비트 수의 증가는 시스템의 불안정성을 증가시킵니다. 큐비트 수가 증가해도 시스템이 안정적이어야 하는데 현재 이 기술의 개발이 아직 안되어 있습니다.

 

5. 양자 비트 간의 상호작용 어려움

아까 2번에서 양자컴퓨터 원리인 얽힘과 중첩은 상호작용이 복잡하다고 언급했습니다. 상호작용의 어려움은 큰 규모의 양자컴퓨터 구축이 어렵다는 것도 의미합니다.

 

6. 알고리즘의 한정성

양자컴퓨터가 생기면 모든 문제가 해결될 것처럼 보입니다. 그런데 알고리즘의 한정성으로 모든 문제에서 좋은 해결을 내지는 않습니다. 오히려 기존의 컴퓨터가 더 나은 부분도 있죠. 이는 특정 문제에만 한정적으로 사용할 수 있다는 것을 의미합니다.

 

 

[양자컴퓨터 관련 회사들]

양자컴퓨터와 관련된 일을 하고 있는 기업들은 어디일까요? 이것이 아마 가장 핵심적일 것이라고 생각합니다. 자세히는 언급하지 않고 간략한 설명과 함께 몇몇 기업만 이야기해볼까 합니다. 해외기업과 국내기업을 구분해보고, 여기서 주식시장에 상장한 회사만 언급하겠습니다.

 

1. 해외기업

(1)IBM

양자컴퓨터 분야에서 가장 선도적인 위치를 가지고 있는 기업입니다. "IBM Q Experience"를 통해 양자컴퓨터를 접할 수 있는 기회를 제공하고 있습니다.

(2)구글

"Google Quantem AI Lab"을 운영하면서 양자컴퓨터 관련 연구와 개발을 진행중입니다.

(3)Honeywell

처음 들어본 기업인데요. "Honeywell Quantum Solutions"에서 양자컴퓨터 관련 연구와 제품 개발을 진행중입니다.

(4)마이크로소프트

"Microsoft Quantum"을 통해 응용프로그램을 구축하고 여러 시스템에서 실행할 수 있는 단계에 와 있습니다.

(5)아마존

"Amazon Quantum Solutions Lab" 부문에서 양자컴퓨팅 서비스를 제공합니다. 

 

2. 국내기업

(1)삼성전자

삼성전자는 현재 투자 및 연구를 진행하고 있고 양자비트 기술개발에 관심을 갖고 있습니다.

(2)LG화학

지금 투자 및 연구는 하고 있지 않으나 관심을 갖고 있습니다. 

 

이외에도 통신사와 통신장비회사 등이 양자컴퓨터 관련 회사로 있습니다. 언급만 하자면 SK텔레콤, KT, LG유플러스, 에치에프알, 쏠리드, 우리로, 우리넷, 바이오로그디바이스, 엑스게이트, 드림시큐리티, 코위버, 텔레필드, 케이씨에스, 파이버프로, 큐에스아이, 옵티시스, 아이윈플러스, 피피아이 등이 있습니다. 

삼성전자외 LG화학의 경우 다른 섹터로 분류되고 그 섹터가 더 크기 때문에 주식에서의 관련주로 말하기는 좀 어려운 부분이 있습니다. 그래서 위에 언급된 통신사와 통신장비회사 등이 관련이 더 깊다고 말할 수 있고, 특히 큰 회사보다는 작은 회사들이 더 테마로 묶여 큰 상승과 큰 하락이 나오는 것 같습니다.

 

여기서 에치에프알과 쏠리드를 공부해서 정리한 것이 있습니다. 혹시나 참고하실 수 있도록 아래에 링크를 걸어두었습니다.

 

1. 쏠리드

[기업분석] "쏠리드" 알아보기

 

2. 에치에프알 

[기업분석] "에치에프알" 알아보기

 

 

 

여기까지 양자컴퓨터에 대해 알아보았습니다. 

이렇게 알아보니 양자컴퓨터가 어느정도 쓰이고 있는 것을 알게되었습니다. 구글, 마이크로소프트, 아마존에서는 관련 홈페이지도 있더라구요. 그러나 아직 완전 상용화보다는 한정된 분야에서 사용하는 것으로 보입니다. 양자컴퓨터가 우리 일상생활에까지 완전한 상용화되고 현실화가 된다면 다양한 분야에서 우리에게 도움이 많이 될 것이라는 생각을 하게 되었습니다. 그러나 아직 연구개발이 초기단계이다 보니 넘어야할 산도 만만치가 않네요. 아직 인류가 이해한 과학기술로는 양자역학에 대한 이해도 잘 되지 않는 것이 현실입니다. 그래서 양자역학을 어려운 학문이라고 이야기하기도 하죠. 그러한 상황에서 가까운 미래에 갑자기 양자컴퓨터가 상용화가 되어 우리의 삶이 변할 거라는 생각이 들지는 않았습니다. 

그래도 기대가 되는 것은 과학은 계속해서 연구개발을 통해 발전하고 있으며 언젠가 양자컴퓨터가 상용화가 될 것이라는 것은 의심할 수 없다는 생각도 하게되었습니다.