양자 컴퓨터의 두뇌 'QPU'란?

양자 컴퓨터의 두뇌 'QPU'란?

데일리 포스트 2022-08-04 11:35:09

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ⓒ데일리포스트=이미지 제공/IBM Research

ㅣ데일리포스트=김정은 기자ㅣ기존 컴퓨터와 완전히 다른 계산 방식을 채택해 압도적인 속도로 방대한 계산을 해낼 수 있는 양자 컴퓨터의 계산 유닛 QPU는 과연 무엇일까? 

반도체 기업 엔비디아(NVIDIA)의 공식 블로그에 따르면 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 월등하게 높은 계산 능력으로 그동안 '시간이 너무 오래 걸려 사실상 풀 수 없다'고 여겨진 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 가령, 다양한 암호 기술의 핵심인 인수 분해 계산도 양자 컴퓨터로 순식간에 해결할 수 있다. 

오늘날 암호 기술이 가진 보안성을 한순간에 뚫어버릴 가능성을 배제할 수 없지만, 그와 동시에 그 어느 때보다 해독이 어려운 암호를 개발하는 것도 가능해진다. 이외에도 원자 수준에서 양자역학을 시뮬레이션하거나 단백질과 약품 등의 구조 해석, 비행기 설계 등 모든 분야에 활용될 전망이다. 

QPU란 양자컴퓨터의 두뇌로 전자나 광자 등 입자의 행동을 이용해 기존 컴퓨터의 프로세서보다 훨씬 고속으로 특정 종류의 계산을 하는 것이다. 

QPU는 '양자 중첩'과 '양자엉킴' 등의 양자 역학의 현상을 이용해 병렬 계산을 실시하는 반면, 기존 컴퓨터에 사용되는 CPU나 GPU 등은 고전물리학의 원리를 전류에 응용한 것이다. 

예를 들어 CPU와 GPU는 전류의 온·오프 상태를 비트 단위로 계산하는데 QPU의 양자 비트에서는 0과 1뿐만 아니라 0과 1을 중첩한 상태를 나타낼 수 있다. 고전비트에서 3비트인 경우는 '000' '001' '010' '011' '100' '101' '110' '111' 중 한 번에 나타낼 수 있는 것은 어느 하나뿐이다. 하지만 양자비트는 0과 1의 중첩 상태를 나타낼 수 있기 때문에 여러 상태를 동시에 나타낼 수 있다.

양자컴퓨터에서는 기존 컴퓨터로 하나하나 행하던 계산을 동시 병렬로 하기 때문에 막대한 시간이 필요했던 계산도 순식간에 끝낼 수 있다.

실제로 양자컴퓨팅 기업 QCI(Quantum Computing Inc.)는 BMW와 아마존웹서비스가 선보인 차량 센서 배치에 관한 3854 변수와 500개 이상의 조건이 주어진 문제를 해결했다고 발표했다. 기존 컴퓨터라면 많은 시간이 소요되는 문제였지만 QCI 양자컴퓨터는 불과 6분 만에 답을 내놓았다는 것.

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/Quantum Computing Inc

물론 양자비트 수가 많을수록 가능한 병렬 계산의 양이 늘어나기 때문에 양자비트 수는 QPU의 능력과 직결된다. 현재 양자컴퓨터 연구팀은 QPU의 성능을 테스트하고 측정하기 위한 방법을 모색하고 있다.

QPU에 양자비트를 구축하는 대표적 방법은 '초전도 양자비트' 기술이다. 두 초전도체 사이에 절연체를 끼우는 조지프슨 접합(Josephson Junction)으로 쿠퍼 페어(Cooper pair)로 불리는 두 전자가 터널 효과에 의해 절연체를 통과하는 현상을 이용해 양자역학적 중첩을 실현하는 것이다. 양자비트에 사용되는 초전도체의 상태를 지속시키기 위해 양자컴퓨터 회로는 액체질소 등으로 극저온에서 동작시켜야 한다.

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/IBM Research

또 일부 기업은 전자가 아닌 광자를 사용해 양자비트를 개발하고 있다. 광자의 진동이나 경로를 0~1로 계산하기 때문에 초전도 양자비트와 달리 액체질소 등으로 양자비트를 극저온으로 유지할 필요가 없다.다만, 광자 관리를 위한 레이저와 고도의 검출기가 필요하고, 검출시 에러가 일어나기 쉽다는 점이 단점이다.

이외에도 전자기장에서 하전입자(이온)를 가늘게 만드는 이온트랩을 이용해 양자 중첩 상태를 만들어내는 이온트랩형 양자비트 등 양자비트 구현 방법에는 다양한 방법이 연구되고 있다. 엔비디아는 "아직 양자컴퓨터의 여명기이기 때문에 QPU 양자비트에 어떤 종류가 널리 쓰이게 될지는 명확하지 않다"고 밝혔다. 

분명한 것은 어떤 방법이라도 극저온을 유지할 수 있는 냉장고·진공인클로저·전자쉴드 등 일반 가정에는 설치할 수 없는 시설이 필요하다는 것이다. 따라서 양자컴퓨터는 주로 슈퍼컴퓨팅을 요구하는 연구시설이나 대규모 데이터센터에 설치될 것으로 예상된다. 

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/IBM Research

엔비디아는 QPU의 실용화는 아직 갈길이 멀다고 지적했다. 하드웨어 레벨에서 QPU는 현실 세계의 다양한 일에 대응할 만큼 강력하지도 신뢰성도 충분하지 않다는 것이다. QPU 대응 소프트웨어도 초기 단계로 마치 고전 컴퓨터 여명기에 어셈블리 언어 엔지니어들이 애를 먹은 것과 같다고 엔비디아는 말한다. 

그러나 아마존(Amazon)·아이비엠(IBM)·아이온큐(IonQ)·리게티(Rigetti)·제너두(Xanadu) 등의 다양한 기업이 하드웨어 연구에 투자하고 있으며, 양자 컴퓨터용 소프트웨어 관련 프로젝트를 많은 기업이 진행하고 있다. 

엔비디아도 양자컴퓨터와 기존 컴퓨터를 연계한 하이브리드 양자컴퓨팅 시스템을 프로그래밍하기 위한 오픈 플랫폼 QODA(Quantum Optimized Device Architecture)를 선보이고 있다.

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