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소스1.
얽히고 겹쳐서 정답을 증폭한다, 양자 컴퓨터의 논리
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.Entangled and overlapping to amplify the answer, the logic of quantum computers

얽히고 겹쳐서 정답을 증폭한다, 양자 컴퓨터의 논리

1.
얽히고 겹쳐서 정답을 증폭한다, 양자 컴퓨터의 논리

지금 우리가 일상적으로 사용하는 컴퓨터보다 수백~수천 배 빨리 연산하는 양자 컴퓨터 기술이 빠르게 발전하고 있다. ‘양자 컴퓨터는 무엇인가’를 고전 컴퓨터와 비교하면서 설명했다.

1-1.고전 컴퓨터의 연산 방식

이런 방식의 ‘생각하는 기계’ 즉 컴퓨터를 만들려면, 사람이 기계의 논리회로에 자유자재로 전류를 흘리고 차단할 수 있어야 한다(스위치 기능). 이를 위한 소재가 바로 트랜지스터다. 수많은 트랜지스터를 사각형의 작은 판에 집적하고 연결해서 더욱 정밀하게 기계의 생각 흐름을 제어하도록 한 장치를 반도체칩이라고 부른다.

이제 컴퓨터가 질문 세 개에 대해 어떤 식으로 작동하며 정답을 찾아가는지 좀 더 구체적으로 살펴보자. 정답을 찾아나가는 방법에서 고전 컴퓨터(양자 컴퓨터에 대비해 ‘고전’이라고 부른다)와 양자 컴퓨터는 확연히 다르다.

고전 컴퓨터는 2진수, 즉 1 혹은 0이라는 두 가지 값밖에 모른다. 연산 단위는 비트(bit)다. 어떤 정보(이미지·영상·음악·프로그램·웹사이트 구조 등)든 1과 0으로 표현할 수 있다.

고래 판별 문제의 경우 질문이 세 개다. 고전 컴퓨터는 각 질문에 대해 0(아니다) 혹은 1(맞다)로 답변할 수 있다. 〈그림 2〉를 보면, 컴퓨터가 0과 1을 조합해서 내놓을 수 있는 답변(이후 ‘상태’라고 부르겠다)의 개수는 모두 8개다. ‘000, 010, 011, 001, 100, 110, 101, 111.’

정답은 당연히 101(동물이고 육지 생물이 아니며 포유류인 고래)이다.

그러나 이 상태들은 모두 제각기 의미를 가진다. 000은 ‘동물이 아니고 육지에 011은 ‘동물이 아니지만 육지에 사는 포유류살지 않으며 포유류도 아니’란 뜻이다. ’다. 이런 존재가 있나?

1-2.
컴퓨터는 자신이 조합해 만든 상태들이 의미론적으로 온당한지 여부엔 별 관심이 없다. 설계자가 제공한 논리연산자를 8가지 상태 모두에 대해 하나씩 순차적으로 적용해나갈 뿐이다. 그러다 보면 결국 정답인 101에 이르게 되는 것이다.

지금까지 ‘고전 컴퓨터’가 문제를 푸는 방법을 보았다. 그러나 너무 단순한 사례다. 논리연산자를 적용한 상태가 모두 8개에 지나지 않는다. 컴퓨터가 조합한 ‘경우의 수’가 너무 적다.

1-3.
질문이 4개라면 경우의 수(상태)는 모두 몇 개였을까. 0000에서 1111까지 16개로 늘어난다. 10개의 질문일 때 경우의 수는 0000000000에서 1111111111까지 모두 1024개다. 스무고개니까 질문이 20개라면? 104만8576개다. 기하급수로 늘어난다. 질문이 하나 추가될 때마다 경우의 수(상태)는 2배가 된다. 질문이 n개면 가능한 조합은 2ⁿ개. 이른바 ‘지수적 증가’다.

고전 컴퓨터는 이 상태들을 하나씩 차례로 탐색(연산)하며 정답을 찾는다. 고성능 GPU 덕분에 연산 속도가 꽤 빨라진 데다 수천~수만 대의 GPU를 연결(슈퍼 컴퓨터)해 연산능력을 고도화할 수 있다. 그러나 한계가 있다. 탐색(연산)해야 하는 상태가 수십~수백조(14~15자릿수) 개 정도라면 그럭저럭 감당할 수 있을 것이다. 그러나 경(京: 16자릿수), 해(垓: 20자릿수), 자(秭: 24 자릿수)를 넘어 경우의 수(상태)가 수십~수백 자릿수에 달하는 문제들(암호해독, 신약후보물질 탐색, 항만물류 등)이 등장하고 있다. 이런 문제는 지금 슈퍼 컴퓨터의 속도로도 수년에서 수백 년, 심지어 수백만 년이 걸릴 정도로 경우의 수가 많다고 한다.

2.
고전 컴퓨터의 대안으로 노벨상 수상자인 저명 물리학자 리처드 파인만이 1980년대에 이미 양자 컴퓨터의 아이디어를 제시한 바 있다. 이후 계속 관련 연구가 이어지면서 최근엔 양자 컴퓨터가 ‘양자 유용성(실용화)’ 단계에 접어들었다는 평가도 나오고 있다. 슈퍼 컴퓨터와 협업 시스템을 이뤄 항만 물류 최적화 등에서 성과를 거두기도 했다.

2-1.
양자 컴퓨터를 이해하려면 먼저, 원자·전자·양성자·중성자 같은 극미한 입자들이 작용하는 ‘양자 세계’의 법칙을 살펴볼 필요가 있다. 양자 세계의 물리 법칙은, 우리가 일상적으로 경험하는 ‘현실 세계’의 그것과 비교하면 마치 마법처럼 느껴진다.

우리가 사는 현실 세계는 꽤 예측 가능하다. 이 세상에서 컵은 컵이고, 물은 물이다. 사물의 정체성이 뚜렷하다. 책상 위에 컵을 놓으면, 누가 밀지 않는 한 그 자리에 그대로 있다. 일정한 힘으로 공을 던지면 특정 궤도를 그리며 날아가다가 정해진 곳에 떨어진다. 궤도와 낙하 장소는 물리학 공식들로 마치 예언하는 것처럼 맞힐 수 있다. 과학자들은 이 세계의 운동을 ‘고전 물리학’의 법칙으로 설명해왔다. 고전 컴퓨터도 이 세계관을 반영한다. 정보의 최소 단위인 비트(bit)는 언제나 0 또는 1로 확고한 정체성을 가진다. 0이면 0이고 1이면 1이다. 모든 문제의 답은 ‘참(1)’/‘거짓(0)’으로 출력된다. 앞서 봤듯이 고전 컴퓨터는 질문(조건)에 따라 ‘경우의 수’만큼의 상태들을 가정하고 하나씩 차례대로 연산해나간다. 이 상태들은 각각 독립적이다. 다른 상태들에 의해 영향받지 않는다.

2-2.
그러나 원자·전자·양성자처럼 극도로 작은 입자들의 세계, 즉 ‘양자 세계’는 완전히 다른 물리 법칙(양자 현상)에 따라 움직이는 것처럼 보인다.

_첫째, ‘중첩’이다. 양자 세계의 입자는 정체성이 뚜렷하지 않다. 여러 가능성을 동시에 품고 있다(중첩). 어느 쪽으로 치달을지 모른다. 0으로 갈 수도 있고 1로 갈 수도 있다. 입자는 가능성의 물결이며 파동처럼 움직이는 성질을 지닌다.
_【】qcell.0,2값을 가진다. 이는 중첩일듯 하다

_둘째, ‘얽힘’이다. 입자들이 분리할 수 없을 정도로 얽혀 전체 네트워크를 이루며 서로에게 영향을 미친다. 얽힌 입자들은 하나의 시스템처럼 움직인다. 입자들 사이의 관계는 분리될 수 없다.
_【】magicsum내부는 얽힘의 상태이다.

_셋째, ‘간섭’이다. 입자는 1 방향으로든 0 방향으로든 치달을 여러 가능성을 갖고 있다. 그 가능성들은 물결(파동)처럼 출렁인다. 이런 파동들이 겹칠 수 있다. 같은 방향의 파동이 겹친다면 해당 가능성은 더 커질 것이다(보강). 반대 방향의 파동이 겹치면 가능성 역시 상쇄되어 사라질 수도 있다.
_【】qcell의 2qvixer.1,1에 대하여 보강(+)과 상쇄(-) 가 일종에 간섭현상이다.

_넷째, ‘측정’이다. 지금까지 봤듯이 양자 세계는 중첩, 얽힘, 간섭 등의 현상으로 인해 여러 가능성이 불확정적으로 출렁이는 공간이다. 양자 세계 구성원들의 정체성은 불분명하다. 그러나 누군가 이 세계를 ‘측정’하는 순간 그 가능성은 사라지고 입자는 하나의 상태로 확정된다. 0과 1의 가능성을 동시에 품고 있던 입자는 측정의 순간, 그 정체성이 0이나 1로 분명해진다. 어떤 입자가 0(혹은 1)으로 측정되면 이와 얽혀 있는 다른 입자의 상태도 동시에 결정된다. 장갑 한쪽을 분실했는데 오른쪽 장갑만 갖고 있다는 것을 알았다면(측정했다면) 그 순간 ‘잃어버린 것은 왼쪽 장갑’이란 정보가 확정된다. 설사 그 왼쪽 장갑을 수천㎞ 떨어진 미국 여행 중 분실했더라도 말이다. 이처럼 관측 이후 입자와 전체 시스템은 중첩과 얽힘이라는 속성을 잃고 비로소 정체성을 얻는다.

3.마법 같은 양자의 세계
우리의 일상 세계와 너무 다르지 않은가? 이를 종교적 신비주의나 평행세계 같은 입증되지 않은 이론으로 연결할 필요는 없다. 양자 물리학의 법칙들은 이미 반도체·레이저·전자 현미경·MRI 같은 실용 기술들로 일부 입증되었다. 양자 컴퓨터는 중첩, 얽힘, 간섭 같은 양자 현상을 인위적으로 구현해 연산에 활용하려는 시도다.

3-1.
고전 컴퓨터의 연산 단위가 비트라면, 양자 컴퓨터의 그것은 큐비트(qubit)다. 비트는 0 아니면 1이다. 정체성이 뚜렷하다. 큐비트는 양자 세계의 입자처럼 0과 1의 가능성을 동시에 품고 있다.

고전 컴퓨터의 비트. 고전 컴퓨팅에서 8개 상태들은 각각 독립적이며 서로 영향을 주지 않는다. 그래서 하나씩 탐색해야 한다. 그러나 양자 컴퓨팅에서 같은 가능성을 가진 8개의 중첩된 상태들은 얽히면서 하나의 덩어리처럼 간주된다. ‘한꺼번에’ 경우의 수 모두를 ‘고려’할 수 있는 조건이 이뤄졌다. 상태의 수가 8개가 아니라 100조 개나 수십경(17자릿수) 개, 수백자(25자릿수) 개라도 상관없다.

3-2.
또한 [큐비트로 이뤄진 상태들은 파도처럼 요동치므로 ‘간섭’ 현상을 알고리즘으로 조작해서]정답 상태인 101의 가능성은 보강하고 다른 상태들의 가능성은 상쇄해 약화시킬 수 있다. 이로써 측정 시점에선 101이 나올 확률이 압도적으로 커지게 된다.

정리하자면, 얽힘과 간섭을 조작해내 정답(101) 상태의 가능성이 증폭되도록 ‘양자 회로’를 설계한 것이다.

_【】간섭과 얽힘은 나의 꿈의 번호를 조작하는 계산법과도 유사하다. 어허.
나는 실제로 1981년에서 1997년 사이에 꿈일지를 기록하면서 일련번호를 2357번째 까지 적었다. 그중에 수의 징크스는 666번째 인 1983년 9월2일이였다. 알래스카에서 대한민국 김포로 오는 민항기 007기가 전날 레이더에서 사라진 것이다. 9월2일 낯에 사할린 앞바다에서 사라진 것이다. 그후 007기를 꺼꾸로 700번째인 꿈넘버인 같은해 10월9일에는 북한의 음모에 의한 아웅산묘지 폭파 사건으로 전두환 각료들 다수가 희생 되었다. 계산법이 이상하지 않나? 양자 계산법 같지 않느냐는거다.

3-3.
양자 컴퓨터는 단순히 빠른 연산 기계가 아니다. 연산의 개념 자체를 그것은 계산의 개념 자체를 다시 정의하는 패러다임 전환의 도구다. 중첩, 얽힘, 간섭 등 낯선 양자 세계의 원리를 활용함으로써, 고전 컴퓨터가 실용적인 시간과 비용으로 풀 수 없는 문제들에 도전하고 있다. 물류 등 일부 영역에서는 고전적인 슈퍼 컴퓨터와의 협업 체제를 통해 성과를 거두는 등 가능성의 지평을 넓히고 있다.

일부 학자들은 앞으로 10~20년 내에 고전 컴퓨터보다 수백~수천, 심지어 수백만 배의 연산능력을 지닌 양자 컴퓨터가 등장할 것으로 본다.