9. 차세대 정보통신기술 - 양자 컴퓨팅

[그륵]

양자컴퓨터(Quantum computing)은 현대컴퓨터가 사용하는 수학적 연산의 한계를 뛰어넘어, 우주의 물리법칙인 양자역할을 기반으로 데이터를 처리하는 차세대 혁신 정보통신기술

기존의 수퍼컴퓨터가 수백년 걸려도 풀지 못한 복잡한 계산(비밀번호 해킹, 신약 분자구조 분석, 대규모 물류 최적화 경로 등)을 단 몇초 만에 해결할 수있는 잠재력을 가지고 있어 미래 국가 안보와 ICT생태계의 패러다임을 바꿀 게임 체인저로 꼽힘

1. 기존 컴퓨터 vs 양자컴퓨터의 구조적 차이

가장 큰 차이는 데이터를 처리하는 가장 작은 최소 단위

• 기존 컴퓨터 : 비트 (Bit)
  • 특징 : 전기가 통하거나 (1) 통하지 않는 (0) 상태중 단 하나만 가질 수있음
  • 방식 : 동전의 앞면(1)이나 뒷면(0)처럼 명확안 상태로, 정보의 양이 늘어나면 연산을 순차적으로 하나씩 처리
• 양자컴퓨터 : 큐비트 (Qubit, Quantum bit)
  • 특징 : 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있고, 서로 긴밀하게 엮일 수 있음
  • 방식 : 동전이 바닥에 멈춰있는 게 아니라 팽이처럼 빠르게 회전하고 있는 상태. 멈추기전까지는 앞면이면서 동시에 뒷면인 상태가 유지하여 수많은 계산을 한 번에 병렬 처리 가능

2. 양자컴퓨팅을 가능하게 하는 3대 핵심 물리학 법칙

양자컴퓨터는 자연계의 미시 세계 (원자, 전자 등)에서 일어나는 기묘한 성질을 연산에 활용

• 양자 중첩 (superposition)
  • 개념 : 0과 1이라는 두 가지 상태가 공존하는 현상
  • 효과 : 2비트는 11,01,10,11중 하나만 표현하지만, 2큐비트는 이 4가지 상태를 동시에 가짐. 큐비트가 늘어날 때마다 처리 가능한 정보의 양이 2의 거듭제곱으로 폭발적으로 증가. 300큐비트만 확보해도 우주에 존재하는 모든 원자 수보다 많은 계산을 동시에 가능
• 양자 얽힘 (Entanglement)
  • 개념 : 두개 이상의 큐비트가 아무리 멀리 떨어져 있어도 마치 하나의 묶음처럼 유기적으로 연결되어 반응하는 현상. 아인스타인은 이 유령같은 원격 작용이라고 불렸을 만큼 신비로운 성징
  • 효과 : 하나의 큐비트 상태를 바꾸면 얽혀 있는 다른 큐비트의 상태도 즉시 결정되므로, 초고속 병렬연산과 데이터 전송이 가능
• 양자 간섭 (Interference)
  • 개념 : 파도가 만나면 서로 커지거나 (보강 간섭) 상쇄되어 사라지는 (상쇄간섭)것 처럼, 양자의 파동 성질을 조절하는 기술
  • 효과 : 큐비트들이 중첩되어 계산을 수행할 때, 우리가 원하는 '정답"확률의 파동은 증폭시키고, 오답의 확률은 상쇄시켜 소멸하게 만들어 최종적으로 정확한 정답만 도출

3. 양자컴퓨팅이 정보통신에 미치는 영향

• 암호 보안 생태계의 파괴와 재편 : 앞서 배운 현대 인터넷 보안의 중심인 공개키 암호화 (RSA 등)체계는 '거대한 숫자의 소인수 분해'가 어렵다는 점을 이용. 하지만 양자컴퓨터는 '쇼어 알고리즘(Shor's algoriths)'을 활용해 이를 순식간에 풀어버릴 수 있음. 이에 대응하기 위해 양자내성암호(PQC)와 양자키분배(QKD)기술이 전세계적으로 빠르게 도입
• 양자 인터넷의 등장 : 양자 얽힘 현상을 이용해 도청이 원천적으로 불가능하고 빛의 속도로 양자 정보를 전송하는 완전히 새로운 형태의 초보안 통신망 연구가 진행중