양자컴퓨터(quantum computer)는 양자 중첩의 지수적인 정보 표현, 양자 얽힘을 이용한 병렬연산과 같은 양자역학적인 물리 현상을 활용하여 계산을 수행하는 기계이다. 일명 양자 전산기기라고도 한다.

양자컴퓨터의 개념은 1982년에 미국의 물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)에 의해 처음으로 제안되었으며, 1985년 옥스퍼드대학의 데비드 도이치(David Deutsch)에 의해 보다 구체적으로 정립되었다. 같은 해 IBM은 정부차원의 지원을 받아 양자컴퓨터 제작에 관한 연구를 본격적으로 하기 시작했다. 1997년에는 IBM의 아이작 추앙(Isaac Chuang)이 2비트 양자컴퓨터를 최초로 만들었고, IBM 알마덴(Almaden) 연구소와 로스알라모스(Los Alamos) 연구소는 7비트 양자컴퓨터를 개발하기에 이뤘다. 이후 일본의 NEC사가 1999년 양자컴퓨터의 고체회로 소자(素子)를 최초로 개발하는데 성공하였다.

기존의 정보처리 방식이나 통신이론, 개인용 컴퓨터에서 슈퍼컴퓨터에 이르는 모든 컴퓨터는 기본적인 원리를 고전적인 역학에 두고 있다. 모든 상태와 그 변화도 일의적으로 결정된다. 이러한 방식은 기본적으로 한 번에 한 단계씩의 계산이 이루어지기 때문이다. 반면에 양자 정보처리나 양자 통신이론, 양자컴퓨터는 모든 가능한 상태가 중첩된 얽힌 상태를 이용한다. 이 경우 단 한 번으로 모든 가능한 상태를 조작하게 된다.

2진법을 사용하는 기존의 디지털컴퓨터는 정보의 단위로 비트(bit)를 쓰기 때문에 모든 데이터가 0 또는 1로 나타난다. 이에 반하여 양자컴퓨터에서는 데이터가 0이면서 동시에 1이 될 수 있다. 이는 양자역학계가 가지고 있는 고유한 특징인 중첩을 이용한 것으로 이 특성을 정보의 연산과 처리에 이용하여 기존 컴퓨터보다 효율적으로 계산을 수행할 수 있다. 양자컴퓨터는 0 혹은 1의 값만 갖는 비트 대신 양자 정보의 기본단위인 큐비트(qubit: quantum bit)를 사용한다. 이와 같이 0과 1이 양자물리학적으로 중첩된 상태를 양자비트 또는 큐비트라고 한다. 양자역학에 따르면 원자보다 작은 물질은 파동과 입자의 두 가지 성질을 가질 수 있고, 이를 중첩(superposition)이라고 한다.

‘고전-양자 하이브리드 컴퓨팅을 이용한 분자의 구조 계산’ 이미지. (한국과학기술연구원(KIST) 제공)

이 같은 특성 때문에 큐비트에는 여러 상태가 존재한다. 2개의 큐비트라면 4개의 상태(00, 01, 10, 11)가 가능하고, 더 여러 개가 얽히면 병렬처리 가능한 정보량은 2의 제곱수로 늘어나게 된다. 병렬로 연결된 1600여 대의 고성능 컴퓨터를 사용해 8개월이 걸리는 129자리 숫자 소인수분해를 양자컴퓨터는 단 몇 시간 만에 해결할 수 있다고 한다.

가령, 56비트로 되어 있는 비밀 암호를 무작위로 찾아낼 때 기존의 컴퓨터로는 약 1000년이 걸리지만 양자전산의 알고리즘을 이용하면 약 4분에 가능하다. 수백, 수천 큐비트의 양자컴퓨터가 만들어지면 디지털컴퓨터로는 도저히 불가능한 계산이 순식간에 가능해진다. 양자컴퓨터는 연산 장치를 100배로 늘렸을 때 계산능력이 100배가 아니라 문제에 따라 최고 2의 100제곱 배(약 10의 30제곱, 1 다음에 0이 30개 있는 경(京)의 100조 배) 정도까지 지수적으로 증가한다. 양자컴퓨터의 연산능력은 상상을 초월할 정도의 엄청난 정보를 한꺼번에 처리할 수 있다.

양자컴퓨터나 양자인터넷, 양자라우터 등이 나오면 현재의 인터넷 속도가 무한대로 증가하게 된다. 양자컴퓨터의 구동방식은 크게 아날로그와 디지털 방식으로 나뉘는데, 최초의 상용 양자컴퓨터는 미국의 D-웨이브로, 이는 아날로그 방식으로 작동한다. 최초의 상용 양자컴퓨터는 2011년 미국 록히드마틴사((Lockheed Martin Corporation)가 도입한 아날로그 방식의 D-웨이브 1이다. 미국항공우주국(NASA)과 구글이 2015년 말에 기존의 양자컴퓨터 D-웨이브보다 1억 배 빠른 D-웨이브 2X를 개발했다.

미국은 2018년 양자컴퓨터 분야 글로벌 주도권을 쥐기 위해 국가 양자이니셔티브법(National Quantum Initiative Act)을 제정한 뒤 NASA, 국방부, 국립과학재단(NSF), 정보고등연구기획국(IARPA), 국방고등연구계획국(DARPA), 매사추세츠공대(MIT), 스탠퍼드대 등이 총출동하여 양자컴퓨터를 개발 중에 있다. 영국도 2014년 총리 직속 공학 및 자연과학연구위원회(EPSRC) 주도로 국가양자기술프로그램을 가동하고 3억 4200만 달러를 투자하였다. 일본도 문부과학성이 주도하여 슈퍼컴퓨터를 능가하는 양자컴퓨터 개발 프로그램을 진행 중이다. 우리나라도 늦은 감은 있지만 2019년부터 2023년까지 5큐비트 양자컴퓨팅 실증 기술 개발을 목표로 445억 원을 투자하고 있다. 국내에서는 삼성전자종합기술원과 삼성SDS, 현대자동차, LG전자 등이 양자컴퓨터 선행연구를 집중하고 있다.

앞으로 양자컴퓨터가 상용화되면 경우의 수가 무한대로 많은 빅데이터 연산, 특히 바이오 기술 분야에서 크게 활용될 것으로 기대되며, 그로 인해 신약이나 개인 맞춤형 치료제를 개발하여 인간의 생명연장에도 획기적인 기여를 할 것으로 예상된다.


* 구병두((사)한국빅데이터협회 부회장/ 전 건국대학교 교육대학원 교수)