양자 컴퓨팅이란?

양자 컴퓨팅은 양자역학을 사용하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 일부 계산을 수행합니다.

학습 목표

이 글을 읽은 후에 다음을 할 수 있습니다:

  • 양자 컴퓨팅 이해하기
  • 큐비트와 비트의 비교
  • 작동 중인 양자 컴퓨터의 잠재적 영향에 대한 설명

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양자 컴퓨팅이란?

양자 컴퓨터는 양자역학의 특성을 사용하여 계산을 수행합니다. 양자 컴퓨터는 특정 유형의 계산에서 기존 컴퓨터(스마트폰, 서버, 데스크톱 컴퓨터 등 오늘날 널리 사용되는 모든 컴퓨팅 장치를 의미)보다 훨씬 빠릅니다. 가장 중요한 점은 양자 컴퓨팅이 기존 컴퓨팅으로는 전혀 효율적으로 해결할 수 없는 극도로 어려운 수학 문제를 해결할 수 있다는 것이며, 이 때문에 현재의 암호화 방식이 위험에 처하고 중요한 데이터가 노출될 수 있다는 사실입니다.

원하는 장이 나올 때까지 책장을 한 페이지 한 페이지 넘기며 찾는다고 상상해 보세요. 이제 목차를 먼저 참조한 다음 거의 즉시 원하는 장을 찾는다고 상상해 보세요. 양자 컴퓨팅은 목차를 이용하는 경험과 비슷합니다. 올바른 솔루션에 도달할 때까지 여러 가지 솔루션을 시도하는 대신 계산에 대해 가능한 모든 솔루션을 동시에 빠르게 검토합니다.

기술적으로 보면, 기존 컴퓨터도 충분한 시간만 주어진다면 양자 컴퓨터가 할 수 있는 모든 계산을 할 수 있습니다.하지만 양자 컴퓨터가 이론상 몇 분이면 해결할 수 있는 문제를 기존 컴퓨터로 해결하려면 수세기나 수천 년이 걸릴 수 있습니다.

실제로 연구자들은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 빠르게 문제를 해결한 몇 가지 사례를 만들어 냈습니다. 양자 컴퓨터는 구축하기가 어렵고 일단 구축된다고 해도 불안정합니다. 하지만 양자 컴퓨터 구축의 난제가 해결된다면 양자 컴퓨팅으로 기술이 영구적으로 바뀔 수 있습니다.

비트와 큐비트란?

기존 컴퓨터는 정보를 일련의 비트 단위로 저장합니다. 비트는 가능한 가장 작은 정보 단위로, 그 값은 0 또는 1입니다.

양자 컴퓨터는 비트가 아닌 큐비트 단위로 정보를 저장합니다.큐비트의 값은 0, 1 또는 상태의 혼합일 수 있습니다(이러한 혼합에 대한 기술 용어는 "중첩"임).실제로 큐비트의 값은 항상 0 또는 1로 알려진 클래식 비트와는 달리 불확실합니다.큐비트의 값은 누군가 관찰할 때까지 불확실한 상태로 남아 있습니다.

그 결과로, 양자 컴퓨터는 한 번에 여러 상태 또는 버전의 정보를 저장할 수 있습니다. 따라서 양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터에 비해 기하급수적으로 빠른 속도로 계산에 대한 솔루션을 처리할 수 있습니다. 여러 사람이 동시에 여러 작업을 하는 팀이 한 사람이 모든 작업을 하는 것보다 프로젝트를 더 빨리 완료하는 것처럼요.

정보 세그먼트를 지구본이라고 상상해 보세요. 비트는 지구의 북극이나 남극에 위치할 수 있습니다. 큐비트는 지구 표면의 어느 곳에나 있을 수 있으므로 큐비트에 담을 수 있는 정보의 양이 크게 늘어납니다.

물론 기계적인 수준에서 비트와 큐비트는 실제 지구본이 아닙니다. 비트는 전하를 보유(1)하거나 전하를 보유하지 않는(0) 컴퓨터의 작은 부분입니다. 큐비트란 원자 내에서 전자의 불확실하고 불안정한 위치를 말합니다.

양자 컴퓨터를 구축할 때는 어떤 어려움이 있을까요?

현재까지 양자 컴퓨터는 극소수가 제작되었습니다. 구축된 컴퓨터는 작고 불안정하며 실험실 조건이 아니면 사용할 수 없습니다.

이는 양자 컴퓨팅이 다음과 같은 몇 가지 주요 과제에 직면해 있기 때문입니다.

외부 환경으로부터의 간섭

큐비트는 깨지기 쉽습니다. 소음, 진동, 온도 변화, 전자파는 모두 큐비트의 내부 상태를 억제하거나 파괴할 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 제대로 작동하려면 이러한 간섭과 기타 유형의 간섭이 없는 고도로 통제된 환경에 있어야 합니다. 이러한 환경은 실험실 외부에서 구축하고 유지 관리하기가 어렵습니다.

예를 들어 고온이나 강한 자력으로 인해 컴퓨터가 느려지거나 파손될 수 있는 등 환경적 요인은 기존 컴퓨터에도 영향을 미칩니다. 그러나 양자 컴퓨터의 경우 문제가 훨씬 더 심각해서 실제 환경에서 작동할 수 있을지 불확실할 정도입니다.

(데스크톱 컴퓨터의 팬이 고온에 대응하는 데 도움이 되는 것처럼 결국에는 간섭에 대응하는 것이 가능할 수도 있습니다.)

오류 수정

양자 컴퓨터는 일반적으로 기존 컴퓨터보다 안정성이 떨어집니다. 따라서 오류가 발생하기 쉽습니다. 모든 컴퓨터는 오류가 생기기 때문에 기존 컴퓨터에는 오류 수정 전용 메모리와 프로세서가 내장되어 있습니다. 하지만 양자 컴퓨터는 처리 능력에 비해 오류 수정에 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 많은 리소스를 투입해야 합니다.

온도

큐비트를 안정적으로 유지하려면 양자 컴퓨터는 절대 영도보다 몇 도 높은 극히 낮은 온도를 유지해야 합니다. 다시 말하지만, 이 때문에 고도로 통제된 실험실 환경이 아닌 곳에서는 작동하기가 어렵습니다.

이러한 문제와 다른 문제의 결과로 소수의 큐비트 이상으로 구성된 양자 컴퓨터는 거의 없습니다. (256큐비트 양자 컴퓨터는 2021년에 발표되었고, 한 회사에서는 2023년까지 1,000큐비트 양자 컴퓨터를 구축할 계획입니다.)

양자 컴퓨팅은 세상에 어떤 영향을 미칠까요?

대규모 양자 컴퓨터의 대량 생산이 가능한지 여부는 물론이고, 대규모 양자 컴퓨터가 실현 가능한지 여부도 아직 불분명하므로 양자 컴퓨팅의 전체적인 영향력을 판단하기는 어렵습니다. 대부분의 사회에서 초소형 컴퓨터는 생활의 거의 모든 측면에서 사용되고 있으며, 많은 사람들이 호주머니에 슈퍼컴퓨터에 해당하는 기기를 가지고 다니고 있습니다(스마트폰처럼).

강력하고 안정적인 양자 컴퓨터는 사회에 긍정적 영향을 크게 미칠 수 있습니다. 그러나 이러한 컴퓨터는 개인 정보 보호 및 보안을 새로운 방식으로 위험에 빠뜨릴 수 있다는 점도 분명합니다.

잠재적인 긍정적 효과

양자 컴퓨터의 응용 분야는 아주 다양합니다. 더 강력한 컴퓨터가 있다면 금융 업계에서는 주식 시장을 더 정확하게 분석하고 예측할 수 있을 것입니다. 기후학자는 날씨 패턴을 더 정확하게 분석하고 예측할 수 있을 것입니다. 양자 컴퓨터가 교통 패턴을 더 잘 예측할 수 있다면 교통 시스템이 더 효율적이 될 수 있습니다.

이 모든 결과는 아직 이론상의 결과입니다. 또한 안정성이 뛰어난 대규모 양자 컴퓨터를 구축할 수 있다고 해도 처리 결과는 입력되는 데이터만큼만 정확할 것입니다. 그럼에도 불구하고 양자 컴퓨팅은 이러한 분야 또는 유사한 분야에 긍정적 영향을 크게 미칠 수 있습니다.

현재 암호화 방식이 깨질 수 있습니다

오늘날 중요한 정보는 암호화를 통해 보호되는 경우가 많습니다. 암호화는 키를 사용하여 메시지를 인코딩하는 과정으로, 키를 가진 사람 외에는 누구도 메시지를 읽을 수 없습니다. 암호화를 이용하여 사용자가 웹 사이트에 입력하는 개인 데이터(TLS를 통해), 하드 디스크와 서버에 저장된 비즈니스 데이터, 정부 기밀 데이터 등 중요한 정보가 보호됩니다.

많은 유형의 암호화는 데이터를 보호하기 위해 소인수분해와 같은 어려운 수학 문제에 의존합니다. 이러한 문제의 난이도가 높기 때문에 가능한 시간 내에 암호화를 해독할 수 없습니다. 암호화를 해독하는 잘 알려진 알고리즘이 존재하지만, 더 큰 암호화 키를 사용할 수 있으므로 키를 찾아 암호화를 해독하는 데 기하급수적으로 더 많은 시간이 소요됩니다(기존 컴퓨터의 경우).

그러나 양자 컴퓨터는 이론상으로 현재 배포된 암호화 방법에서 사용되는 어려운 문제를 풀 수 있습니다. 이 시나리오에서는 키 크기를 늘린다고 해서 문제의 난이도가 기하급수적으로 높아지는 것은 아닙니다. 따라서 암호화를 해독하는 데 걸리는 시간이 훨씬 단축될 수 있습니다. 이렇게 되면 양자 컴퓨터가 대부분의 최신 암호화 방식을 깨뜨릴 수 있어 암호화된 데이터가 노출될 위험에 처하게 됩니다.

Cloudflare에서는 양자 컴퓨팅에 대비하기 위해 무엇을 할까요?

Cloudflare에서는 현재와 미래의 중요한 정보를 보호할 수 있는 새로운 양자 내성 암호화 방법을 개발하는 데 많은 노력을 기울이고 있습니다. 이는 더 나은 인터넷 프로토콜, 암호화 표준, 개인 정보 보호를 개발하는 것을 지원하기 위한 Cloudflare의 더 큰 노력의 일환입니다.

Cloudflare는 이 분야에서 계속 기여할 계획입니다.자세히 알아보려면 양자 컴퓨팅 및 암호화에 관한 최신 블로그 게시물을 참조하세요.