최근에 크게 화제가 되고 있는 아이템이 양자 컴퓨터입니다. 많은 곳에서 연구를 하고 있고 미래의 컴퓨터로 주목하고있는 가운데 엔비디아( Nvidia)의 최고 경영자 젠슨 황이 양자컴퓨터의 상용화에 시간이 걸릴것이며 “상용화 할 수 있는실용적인 양자 컴퓨터 개발에는 적어도 20년~30년 걸릴 것”(Jan.09, 2025)이라는 한마디에 양자 컴퓨터 관련 주가가 폭락했습니다. 도대체 언제쯤 양자 컴퓨터는 상용화 될까요? 오늘부터 양자 컴퓨터의 기원에 대해 관계된 인물중심으로 그 내용을 알아보고 나중에 양자 컴퓨터의 미래에 대해 설명해보겠습니다.
양자 컴퓨터의 기원을 찾아서
1. 양자 역학의 시작
주요 인물: 막스 플랑크(Max Planck): 1858 ~ 1947
양자역학의 시작은 어쩌면 우연일 수도 있고, 사고의 전환을 통해 발견했다고 볼 수 있습니다. 1900년에 발표한 논문에서, 막스 플랑크는 에너지가 연속적이 아닌 불연속적인 양자 형태로 존재하며 특정한 불연속적인 단위( Quantum)로 존재한다고 제안하며 양자역학의 관문을 열었습니다. 이 연구는 양자 컴퓨터의 기초 이론을 제공하고 있습니다.
양자 단위란, 양자는 플랑크 상수[h]에 의해 정의되며, 플랑크는 에너지가 ( E = h f 혹은 h=E/f)의 식으로 표현될 수 있다고 제안했으며, 여기서 ( E )는 에너지, ( h )는 플랑크 상수, (f)는 주파수입니다.
흑체 복사( Black Body Radiation) : 흑체복사란 온도가 일정한 상태인 열평형상태에 있는 흑체는 ” 흑체복사”라는 전자기 복사를 방출하는데 이때 복사는 플랑크 상수가 적용된 플랑크 법칙에 따라 방출합니다. 1900년 막스 플랑크는 흑체복사의 측정 자료와 일치하는 결과를 얻기 위해 방출된 빛의 에너지가 특정한 상수(h) 진동수를 곱한 값의 정수배로만 주어진다고 가정하였고, 측정 자료와 일치한는 결과값을 얻게 되었습니다.
결과적인 현상: 에너지의 연속적 성질과 불연속적 성질의 이중성 : 고전 물리학으로는 설명이 되지 않지만, 불연속적이는 가정을 두었을 때, 실험 결과와 일치하므로 새로운 개념의 물리학 정리가 필요하였고 이때 나온 개념이 양자 단위의 에너지로 설명할 수 있는 양자 역학의 시작이 되었습니다.
추가 설명: 입자가 파동처럼 행동할 수 있다는 개념, 혹은 파동이 입자처럼 움직일 수 있다는 것은, 양자역학의 중요한 발견 중 하나입니다. 예를 들어, 빛은 하나의 입자(광자)로도, 파동으로도 설명될 수 있어, 이는 양자 컴퓨터의 큐비트( Qubit) 개념과 밀접한 관련이 있습니다.
2. 양자역학을 이용한 계산
주요 인물: 리처드 파인 : (Richard Feynman): 1918 ~1988
1981년, 리처드 파인만은 “양자역학을 이용한 계산”에 대한 아이디어를 발표하게 됩니다. 그는 양자 세계의 복잡한 현상 중첩과 얽힘 등을 이용하여 시뮬레이션할 수 있는 컴퓨터가 필요하다고 주장하였고, 그의 아이디어는 양자 컴퓨터의 탄생으로 이어졌습니다.
양자 역학의 본질적 특성 : 리처드 파인만은 1981년 양자 컴퓨터의 개념을 제안하며, 양자역학의 본질적 특성을 이용하고 양자역학의 복잡한 현상을 시뮬레이션할 수 있는 새로운 계산 모델의 필요성을 강조했습니다. 그의 주장은 다음과 같은 핵심 요소로 요약될 수 있습니다.
i) 양자 중첩 ( Quantum Superposition)
리처드 파인만은, 고전 물리학이, 양자 시스템의 복잡성을 효율적으로 시뮬레이션하는 데 한계가 있다는 점을 지적하면서 양자 컴퓨터가 큐비트(Qubit)를 사용하여 여러 상태를 동시에 표현할 수 있다는 점을 강조했습니다. 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 이중성을 이용하여, 이를 통해 병렬 처리가 가능하다는 것입니다. 이러한 중첩 상태는 계산이 이루어진 후 결괏값을 ‘0’과 ‘1’로 구분하므로 계산 속도를 획기적으로 향상 수 있는 잠재력을 지니고 있다고 설명했습니다.
ii) 양자 얽힘 ( Quantum Entanglement)
그는 또한 양자 얽힘의 개념을 통해 큐비트 간의 상호작용이 고전 물리학적인 비트보다 훨씬 더 강력한 계산 능력을 제공할 수 있음을 설명했습니다. 특히 얽힘 상태에 있는 서로 떨어져 있는 큐비트들이 서로의 상태에 영향을 주어, 복잡한 계산을 동시에 처리할 수 있게 합니다.
iii) 양자 알고리즘의 필요성
파인만은 양자 컴퓨터가 기존의 고전 알고리즘으로는 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있는 양자 알고리즘 개발이 필요성을 주장했습니다. 그는 특히 양자 컴퓨터가 특정 문제를 기존의 고전 알고리즘보다 더 훨씬 빠르게 해결할 수 있는 가능성을 제시했습니다. 이러한 아이디어들은 후에 ‘데이비드 도이치’와 같은 연구자들에 의해 발전되어 양자 알고리즘과 양자 컴퓨터의 이론적 기초를 마련하는 데 중요한 역할을 했습니다. 리처드 파인만의 연구는 양자 컴퓨터 분야의 발전에 크게 기여하였으며, 오늘날 양자 컴퓨터의 개념과 기술 발전에 영향을 미치고 있습니다.
3. 마무리
이상으로 양자역학의 시작과 양자역학을 이용한 계산에 대해 알아보았습니다. 양자컴퓨터가 실제 우리에게 다가오기 전까지 많은 물리학자와 연구자들이 연구함으로써 현재에 이르고 있다는 것을 알게 되었습니다. 이어서 다음 이야기로 이어가겠습니다.