▲ Rigetti 19Q 초전도 프로세서. (출처: Rigetti Computing)

슈퍼컴퓨터를 넘어 양자컴퓨터 시대로

슈퍼컴퓨터(supercomputer)는 계산 속도가 매우 빠르고 많은 자료를 오랜 시간 꾸준히 처리할 수 있는 컴퓨터를 말한다. 슈퍼컴퓨터는 국방, 우주, 재난 예방, 에너지 분야 등 국가 안보와 관련된 분야에서 크게 공헌하고 있다. 최근 바이오, 자동차, 항공, 전자, 신소재 등으로 산업 범위를 넓혀가고 있으며, 주요 산업 분야에서 신제품의 설계 및 개발에 슈퍼컴퓨터를 활용하고 있다. 

세계 슈퍼컴퓨터 성능 순위를 발표하고 있는 'TOP 500'에서 연속 1위를 달리고 있는 중국의 슈퍼컴퓨터 텐허 2호(Tianhe-2)는 인텔 제온(Intel Xeon)을 32,000개 탑재하고 있으며 시스템 전체로는 약 320만 개의 코어가 사용된다. 하지만 텐허 2호는 화려한 스펙에 걸맞게 축구장 절반의 크기를 차지하고 있으며 약 24MW의 전력을 필요로 한다. 이는 도시하나에서 소비하는 전력소비량과 맞먹는 양이다. 이처럼 슈퍼컴퓨터는 거대화와 높은 전력소비라는 한계점을 갖고 있다.

슈퍼컴퓨터의 한계를 넘어 새로운 패러다임을 제시할 미래형 최첨단 컴퓨터가 바로 양자컴퓨터이다. 양자컴퓨터는 양자역학의 원리에 따라 작동된다. 기존의 컴퓨터는 0과 1이라는 이진법(binary bit)을 사용한다. 즉 0이나 1의 상태가 ‘비트’라는 기본단위가 되는 것이다. 반면 양자컴퓨터는 ‘양자역학’의 얽힘과 중첩을 이용한다. 양자컴퓨터는 0이면서도 동시에 1인 상태인 00,10,11,01과 같은 4가지 상태를 표현할 수 있다. 이를 ‘큐비트(quantum bit)’라고 부르는데 이 중첩 상태를 이용하면 병렬 처리가 가능해 연산능력이 기하급수적으로 늘어난다.

큐비트가 네 개가 있으면 16가지 상태를 표현할 수 있고, 여덟 개가 있으면 256가지의 상태를 표현할 수 있다. 더불어 큐비트가 n개가 있을 때 2의 n제곱만큼 상태를 표현하는 것이 가능하다. 결론은 비트를 사용하는 현재의 컴퓨터보다 큐비트를 사용하는 양자컴퓨터의 효율이 훨씬 효율적임을 의미한다.

나아가 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터의 한계를 보완할 뿐만 아니라 양자컴퓨터의 양자병렬처리방식이 가능해진다면 기존의 방식으로 해결할 수 없었던 다양한 문제들을 해결할 수 있다. 예를 들면 고정밀도의 촉매를 생성해 지구상의 이산화탄소를 흡수, 지구온난화 문제를 해결하거나 의료분야에서 분자구조를 기반으로 하는 신약개발이 가능하다.

이는 물리학 관점에서 보았을 때 고전역학 시대에 머물러있는 현 인류에게 양자컴퓨터의 개발은 양자역학시대라는 새로운 지평을 개척해 줄 것이다.

[전북대 서정욱 학생기자, wjddnr5543@naver.com]

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