D-웨이브 시스템의 칩 형태 from Wikipedia.org



미국 항공우주국(NASA)와 구글 퀀텀 인공지능 연구소 등은 지난 2015년 12월8일 양자컴퓨터인 ‘D웨이브 2X’ 실물을 공개했다. 이 컴퓨터는 일반 컴퓨터에 비해 1억배 이상 빠른 처리 속도를 구현한다고 하는데, 이는 지금까지 발표된 양자컴퓨터 가운데 가장 빠른 속도다. 

구글과 나사는 2013년 5월부터 양자컴퓨터 개발을 위해 협력을 해왔는데, 구글은 최근 각광받고 있는 기계학습 분야에 양자컴퓨팅을 도입해 획기적인 성과를 낸다는 목표로 양자컴퓨터를 개발하고 있다. 이를 위해 캐나다 양자컴퓨터 전문기업인 D웨이브로부터 양자컴퓨터를 구매했는데, 예상보다 성능이 떨어지는 것으로 나타나서 많은 이들에게 실망을 안겨주기도 했다. 그렇지만, 나사와의 협력을 통해 D웨이브의 아키텍처의 장점은 살리고 새로운 연구성과를 접목해서 1억배 이상의 성능을 구현한 것이니만큼 커다란 의미가 있는 발전이라고 할 수 있다. 그렇다면, 양자컴퓨터가 무엇이길래 이렇게 많은 이들이 주목하고 있는 것일까? 


양자컴퓨터의 원리와 역사 

양자컴퓨터 원리를 처음 구상한 사람은 양자역학의 거장 리처드 파인만이며, 옥스퍼드대의 데이비드 도이치 박사가 작동원리를 고안하였다. 일반적인 컴퓨터는 트랜지스터로 만들어진 게이트를 논리 로직으로 사용하고, 이들의 조합으로 연산을 하게 되는데, 양자컴퓨터는 연산법칙에 양자원리를 이용하는 것을 말한다. 최초의 양자컴퓨터는 이번 구글과 나사의 발표에서도 언급된 캐나다의 D웨이브가 2011년 5월 24일 상용화되었다고 알려졌지만, 여기에 대해서는 논란이 많다. 양자컴퓨터의 원리를 이해하기 위해서는 양자역학에 대한 기본적인 특징을 이해해야 한다. 양자역학에서 유명한 이중 슬릿 실험을 예로 들어보겠다. 



이 실험은 빛이 파동성과 입자성을 모두 가진다는 것을 밝힌 실험으로도 유명하지만, 양자역학의 독특한 확률분포를 보여준 실험이기도 하다. 일반적인 상식으로는 빛이 1번 슬릿 또는 2번 슬릿을 통과한 뒤에 스크린의 어딘가에 떨어질 확률 분포는, 빛이 1번 슬릿을 통과한 뒤에 스크린의 어딘가에 떨어질 확률 분포와 2번 슬릿을 통과한 뒤에 스크린의 어딘가에 떨어질 확률 분포를 더한 형태가 되어야 한다. 하지만 실제로 이 실험을 수행해 보면, 어떤 위치에서는 두 개 슬릿을 다 열어둘 때에 오히려 광자가 올 확률이 떨어진다. 모두 0 이상인 확률로 계산을 하면 이런 결과가 나올 수가 없는데, 복소수 값을 갖고 음수 값을 가질 수 있는 진폭으로 계산을 하면 이런 결과가 도출이 된다. 

기본적으로 일반적인 컴퓨터는 확률적 알고리즘으로 연산을 수행할 수 있지만, 양자컴퓨터는 이와 같은 양자 알고리즘으로 연산을 수행할 수 있다는 것이 가장 큰 차이다. 양자컴퓨터는 이런 특징을 이용해서 오답을 상쇄시키고 정답을 증폭시킬 수 있다. 양자컴퓨터가 일반적인 컴퓨터보다 빠른 것은 잘못된 솔루션들을 서로 상쇄하여 사라지게 할 수 있기 때문이다. 


보안과 암호체계와 관련한 파괴적인 변화 

모든 영역에 양자컴퓨터의 장점이 발휘되는 것은 아니고, 이런 연산방식이 잘 풀어낼 수 있는 종류의 문제들이 따로 있다. 현재 상당 수의 암호화 기술은 소인수분해의 계산상 난점을 활용한다. 대표적인 것들이 공개키암호화 기술들이다. 공개키암호화 방식은 많은 메신저 등에서 이용되는 표준 암호화 기법으로 암호해독이 불가능한 것이 아니라 일반적인 컴퓨터가 연산으로 풀어내는데 사실 상 시간이 너무 많이 걸리는 것을 이용한 암호화 방식이다. 

예를 들어 1994년 RSA129로 알려진 129자리 숫자(426비트)를 소인수분해 할 때 전 세계의 1,600여대의 워크스테이션을 병렬로 연결하여 계산했음에도 8개월이 걸렸다. 만약 250자리의 수(829비트)라면 800,000년이 걸리고, 1,000자리라면 1025억년이 걸린다. 그런데, 양자컴퓨터는 소인수분해 등의 계산을 하는데 연산속도를 혁명적으로 증가시킨다. 보통 컴퓨터가 수백 년이 걸리는 소인수분해 연산이 양자컴퓨터로는 몇 시간에서 몇 분에 끝나기 때문에 이 경우에는 불가능하다고 여겨질 정도로 오래 걸리는 연산이 가능한 시간의 범위 안으로 떨어지게 된다. 

소인수분해 문제 이외에도 또 다른 많은 암호 알고리즘이 바탕을 두고 있는 이산로그 문제도 양자컴퓨터가 잘 해결을 한다. 이렇게 암호해독이 가능한 양자컴퓨터가 저렴하게 상용화된다면, 기존의 암호체계 자체를 완전히 새로 만들어야 할 것이다. 예를 들어, 각국 정부가 양자컴퓨팅 기술을 개발하게 된다면 이제는 굳이 메신저 등에 대한 감청을 하기 위해서 업체의 협조를 구하지 않고, 그냥 인터넷에서 감시 대상의 암호화된 메시지를 가로채더라도 그 메시지의 개인 키를 몇 시간에서 몇 분이면 해독해서 볼 수가 있게 된다. 유사하게 현재의 금융시스템 등에도 큰 파장을 불러 일으킬 수 있을 것이다. 

그러므로, 양자컴퓨터가 상용화될 경우에는 이에 대비한 새로운 암호체계와 보안체계가 구축이 되어야 한다. 예를 들어, 격자기반 암호계는 아직 양자컴퓨터로 해결할 알고리즘이 없고, AES와 같은 블록 암호들 역시 아직 양자컴퓨터로 깨뜨리지 못한다. 물론 이들을 해독하는 새로운 알고리즘이 등장할 가능성 역시 배제할 수는 없지만 말이다. 


인공지능 분야에서의 활용 가능성 

또 한 가지 양자컴퓨터의 활용 영역으로 주목받고 있는 것이 인공지능 분야다. 실제로 구글도 나사와 양자컴퓨터 개발을 진행하면서 인공지능과 연관된 기계학습 분야에서의 응용을 가장 중요한 목표라고 밝히기도 하였다. 최근의 연구에 의하면 양자컴퓨팅을 활용한 양자학습이 기계학습의 학습 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다는 것이 알려지고 있고, 특히 작업이 복잡할수록 양자 효과에 의한 학습속도는 점점 더 빨라질 수 있다는 것이 밝혀졌기 때문에, 현재와 같이 방대한 데이터가 지속적으로 더욱 빠른 속도로 늘어나고, 이를 활용하여 학습하는 방식이 더욱 빨라지게 된다면 빠르고 효율적으로 학습능력을 가지고 외부환경에 다양하게 대응하는 인공지능의 탄생이 현실화 될지도 모른다. 그래서 일부 전문가들은 양자컴퓨터가 현재까지는 구현이 불가능하다고 생각하는 강인공지능(Artificial General Intelligence)을 탄생시키는 초석이 되는 기술이 될 수 있다고 믿고 있다. 

실용적인 약인공지능 분야에서도 활용가능성이 높다. 예를 들어, 무인자동차 기술을 개발한다고 생각하자. 이 경우 도로 위에 존재하는 모든 차량의 움직임을 기계학습을 통해 분석해야 하며, 향후 교통흐름도 예측할 수 있다면 자율주행의 성능이 훨씬 좋아지게 될 것이다. 사실 이런 작업은 거의 실시간으로 이루어져야 의미가 있는데, 현재의 컴퓨터로는 수 많은 개별 차량의 움직임을 학습한 뒤 예측하기 위해서는 많은 시간이 걸린다. 그런데, 양자컴퓨터가 이런 작업을 거의 실시간으로 해낼 수 있다면 무인자동차 기술에도 획기적인 개선이 이루어질 수 있을 것이다. 


앞으로의 숙제 

지난 2015년 12월의 구글과 나사의 양자컴퓨터 발표는 여러 모로 양자컴퓨터의 실용화 가능성을 알렸다는 측면에서 의미가 있다. 그렇지만, 아직까지는 실용화까지 여전히 많은 시간이 걸릴 것으로 예상된다. 기본적으로 양자를 통제하는 기술은 쉽게 상용화가 가능한 기술이 아니다. 현재 기술로는 양자로 구성되는 큐비트를 충분히 유지시키기 어렵고, 외부 환경이 조금만 변해도 변형이 일어난다. 현재 큐비트의 유지를 위해 초전도체를 이용하기 때문에 제조 단가가 무척 높으며, 이를 제대로 유지하는 데에도 어마어마한 비용이 들어간다. 또한, 양자컴퓨터가 제대로 동작하기 위해 외부 환경의 영향을 완벽하게 차단해야 하는데 이와 관련한 설비비도 만만치 않다. 큐비트를 집적시킬 수 있는 기술도 현재까지는 숙제다. 

또한 완전히 다른 방식의 연산을 해야 하기 때문에 소프트웨어도 큰 문제다. 예를 들어, 구글의 의도대로 인공지능 기계학습에 양자컴퓨터를 활용하기 위해서는 양자 원리를 활용한 양자학습 알고리즘이 개발되어야 한다. 이런 알고리즘이 없다면, 원리에 충실한 양자컴퓨터가 있다고 하더라도 빛 좋은 개살구에 불과하다. 정리하자면 이번 구글과 나사의 발표는 미래의 양자컴퓨터 상용화라는 측면에서 중대한 진전이라는 것은 틀림이 없다. 그렇지만, 아직까지 이들을 만나보기 위해서는 풀어야 할 문제들이 많기 때문에, 지나친 낙관은 금물이다. 확실한 것은 양자컴퓨터가 가져올 큰 변화에 대해서 어느 정도는 이해하고, 대비는 하고 있어야 할 것이다.


P.S. 이 글은 축약되어 <청년의사> 칼럼으로도 발행되었습니다.


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