그림으로 배우는 양자 컴퓨터의 원리와 알고리즘!

그림으로 배우는 양자 컴퓨터 ㅣ 그림으로 배우는 시리즈
미나토 유이치로 지음, 이승훈 옮김 / 영진.com(영진닷컴) / 2021년 10월

2011년 캐나다의 D-Wave Systems은 세계 최초의 양자 컴퓨터(Quantum Computer) D-Wave 1을 발표했다. D-Wave 1은 양자 어닐링(Quantum Annealing)형이었다.

2019년 구글은 양자 컴퓨터 ‘시커모어’를 공개했다. 시커모어는 기존 슈퍼 컴퓨터가 1만 년에 걸쳐 수행할 수 있는 계산을 200초 안에 완료할 수 있다. 구글은 2014년 NASA와 공동으로 퀀텀 AI 랩을 설립한 바 있다.

▲양자 컴퓨터 시커모어는 금속 원기둥 형태로 일종의 거대한 통조림 캔처럼 보인다. 내부는 비슷한 구조의 통이 6단계로 겹겹이 채워져 있으며 가장 안쪽의 통에 양자 프로세서인 시커모어가 설치됐다. 양자 컴퓨터는 회로 안팎에서 발생하는 미세한 노이즈나 전기 저항에 의해서도 쉽게 영향을 받을 수 있기 때문에 양자에 접근할 수 있는 모든 외부 자극을 완전히 차단하고 극저온(약 -269도) 상태를 유지해야 한다. 사진 속 인물은 구글의 수석 퀀텀 엔지니어 에릭 루세로.

한편 IBM과 인텔, 삼성 등 여러 기업들도 양자 컴퓨터 개발에 속도를 내고 있으며 마이크로소프트는 양자 컴퓨터에 사용가능한 언어를 발표하기도 했다.

양자 컴퓨터는 얽힘, 중첩 같은 양자역학을 기반으로 한 미래형 컴퓨터다. 10년 안에 상용화 될 것이란 전망이 나오면서 신물질이나 신약 개발, 우주 항공 그리고 금융 리스크 분석이나 물류·교통 최적화 등 그동안 인류가 풀지 못한 과제를 풀어줄 것으로 주목을 받고 있다.

그렇다면 ‘양자 컴퓨터’는 과연 어떤 원리로 작동하는 것일까? 영진닷컴에서 나온 ‘그림으로 배우는 양자 컴퓨터’는 이에 대한 거의 모든 것을 일목요연하게 보여준다.

저자 미나토 유이치로는 동경대 공학부를 졸업하고 쿠마 켄고 건축도시 설계사무소를 거쳐 2008년 MDR 주식회사를 설립했다. 그는 2017~2019년 일본 정부에서 추진한 ImPACT 야마모토 프로젝트에 참여, 이징 모델 애플리케이션, 양자 게이트 모델 애플리케이션 등을 개발했다.

양자 컴퓨터는 말 그대로 양자의 원리를 연산에 이용하는 것이다. 양자는 원자와 원자를 둘러싸고 있는 전자, 양성자와 중성자 등을 말한다. 불확정성의 원리와 슈뢰딩거의 고양이로 대표되는 양자역학에 기반한다.

현재 컴퓨터는 입력된 데이터의 순서대로 처리하는데 비해 양자 컴퓨터는 데이터를 한꺼번에 중첩, 병렬 처리하기 때문에 연산 속도가 비교할 수 없을 정도로 빠르다. 대신 계산 결과는 0이기도 하고 1이기도 한 상태가 나올 수 있기 때문에 특정 데이터 또는 해답을 찾기 위한 알고리즘이 관건이 된다.

향후 양자 컴퓨터가 상용화되려면 우선 정확도를 높여야 한다. 이는 큐빗 용량을 늘리는 것뿐만 아니라 판독·연산 오류율을 낮추는 문제와 관련돼 있다.

책은 일반 독자도 알기 쉽게 양자 컴퓨터의 원리와 구조를 그림으로 설명한다. 양자의 기본적인 성질과 기초 계산 원리 그리고 알고리즘 작동 방식까지 어려운 내용을 척척 소개한다.

또한 일반 PC에서 양자 컴퓨팅의 원리를 직접 시현해 볼 수 있는 프로그램과 실습 코드도 제공한다. 양자 컴퓨터에 관심 있는 독자라면 적극 일독을 추천드린다!