□ 양자 컴퓨터
양자 컴퓨터(quantum computer)는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 활용하여 자료를 처리하는 계산 기계이다. 또한 그러한 방법을 '양자 컴퓨팅'(quantum computing)이라고도 한다.
기존 컴퓨터는 0과 1이라는 두 가지 상태로 정보를 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라고 불리는 특수한 비트를 사용하여 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다. 이를 중첩이라고 한다. 또한, 양자 컴퓨터는 얽힘이라는 현상을 이용하여 서로 멀리 떨어진 큐비트 간에 정보를 순간적으로 전달할 수 있다. 덕분에 기존 컴퓨터로는 불가능했던 복잡한 문제들을 빠르게 해결할 수 있다.
▶ 양자 컴퓨팅의 주요 특징
- 중첩 : 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다.
- 얽힘 : 서로 멀리 떨어진 큐비트 간에 정보를 순간적으로 전달할 수 있다.
- 기존 컴퓨터보다 빠른 속도 : 특정 유형의 문제를 해결하는 경우 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도를 제공한다.
□ 양자 컴퓨팅과 계산 복잡도 이론의 관계
양자 컴퓨팅은 계산 복잡도 이론과 밀접한 관계를 가지고 있다. 계산 복잡도 이론은 문제를 해결하는 데 필요한 계산량을 연구하는 분야이다.
양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 유형의 문제를 해결할 수 있다.
▶ 소인수 분해
큰 수를 두 개의 소인수로 분해하는 문제이다. 기존 컴퓨터는 지수적인 시간 복잡도를 가지는 소인수 분해 알고리즘을 사용하지만, 양자 컴퓨터는 Shor 알고리즘을 사용하여 다항 시간 복잡도로 소인수 분해를 수행할 수 있다.
▶ 이산 로그 문제
특정 숫자 g가 주어진 숫자 p의 거듭제곱인 x를 찾는 문제이다. 기존 컴퓨터는 지수적인 시간 복잡도를 가지는 이산 로그 알고리즘을 사용하지만, 양자 컴퓨터는 Grover 알고리즘을 사용하여 제곱근 시간 복잡도로 이산 로그 문제를 해결할 수 있다.
□ 양자 컴퓨팅의 복잡도 계급
양자 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제들의 집합을 BQP라고 한다. BQP는 기존 컴퓨터가 해결할 수 있는 문제들의 집합인 P와 NP 사이에 위치한다.
-P : 다항 시간 복잡도로 해결할 수 있는 문제들의 집합
- NP : 비확정적 다항 시간 복잡도로 해결할 수 있는 문제들의 집합 (NP 문제는 해를 검증하는 것은 쉽지만, 직접 해를 찾는 것은 어려운 문제들이다.)
- BQP : 양자 컴퓨터가 다항 시간 복잡도로 해결할 수 있는 문제들의 집합
현재 BQP가 P와 NP 사이에 어떤 관계에 있는지 정확히 알려져 있지 않다.
- P = BQP : 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 해결할 수 있는 모든 문제를 해결할 수 있으며, 더 빠른 속도로 해결할 수 있다.
- P ≠ BQP : 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 특정 문제들을 해결할 수 있다.
□ 양자 컴퓨팅이 계산 복잡도 이론에 미치는 영향
양자 컴퓨팅은 계산 복잡도 이론에 큰 영향을 미칠 것으로 예상되며, 양자 컴퓨터가 P ≠ BQP임을 증명한다면, NP 완전 문제를 다항 시간 복잡도로 해결하는 것은 불가능하다는 것을 의미한다. 또한, 양자 컴퓨터는 새로운 알고리즘 개발과 기존 알고리즘의 성능 향상에 도움을 줄 수 있다.
□ 양자 컴퓨팅의 활용 분야
- 신약 개발 : 새로운 약물을 더 빠르고 효율적으로 개발하는 데 활용될 수 있다.
- 새로운 재료 개발 : 더 강하고 가벼운 새로운 재료를 개발하는 데 활용될 수 있다.
- 금융 모델링 : 금융 시장을 더 정확하게 예측하는 데 활용될 수 있다.
- 인공지능 : 인공지능 알고리즘의 성능을 향상하는 데 활용될 수 있다.
- 암호 해독 : 기존 암호 시스템을 해독하는 데 활용될 수 있다. (주의 : 양자 컴퓨팅 기술 발전으로 인해 현재 사용되는 암호 시스템이 해독될 가능성이 있으므로 미래를 대비하여 새로운 암호 시스템을 개발해야 한다.)
□ 양자 컴퓨팅의 현황
양자 컴퓨팅은 아직 초기 단계의 기술이지만, 빠르게 발전하고 있다. 현재 여러 국가와 기업들이 양자 컴퓨터 개발에 투자하고 있으며, 일부 기업들은 이미 소규모 양자 컴퓨터를 시제품으로 제작했다. 하지만, 실용적인 양자 컴퓨터를 개발하기 위해서는 아직 많은 기술적 과제를 해결해야 한다.
양자 컴퓨팅은 다양한 분야에 혁신을 가져올 잠재력이 있는 기술이다. 하지만, 실용적인 양자 컴퓨터가 개발되기까지는 아직 많은 시간이 걸릴 것으로 예상되며, 앞으로 양자 컴퓨팅 기술이 어떻게 발전할지 주목해야 할 것이다.