오늘 뜬금없이.. 양자컴퓨터에관한 이야기가 나왔는데, 생각보다 이 양자컴퓨터에대해서 많이들 모르고 있고, 개발자들끼리도 오해 혹은 잘못된 지식이 오가고 있다는걸 보고는 화들짝 놀라서.. 가능한 쉽게 양자컴퓨터에대해서 설명해놓고 나중에 누가 물어보면 링크를 던져줄(-_-ㅋ)요량으로 글을 남겨봅니다.. 헤헤... 매번 같은설명 귀찮.....

분자, 원자, 전자, 양자

과학시간에 다들 배웠으나 까먹었을테지.. ㅋㅋ
분자는 물질의 특성을 가진 가장 작은단위를 이야기하는데.. 분자를 알려면 원자부터 알아야합니다.
원자는 수소, 산소 라던지 철 마그네슘 이런 원소주기율표에 나와있는녀석들로 만들어진 친구들을 이야기합니다. 이들중에 예를들어 익숙한 산소를 기준으로 했을때.. 자연계에 보통 우리가 익숙하게 알고있는 산소(O)는 산소원자 두개가 결합한 (O2) 형태이고 산소가 3개가 결합하면 (O3) 오존이라고 부르는 다른 원자가 됩니다.

산소나 오존처럼 하나의 원자로 구성된 순물질을 원소(그래서 원소 주기율표라고 하지만 원자 주기율표라고 해도 사실 의미가 거의 비슷함) 라고 부릅니다.

그리고 원자의 결합체를 분자라고 부르는데, 물(H2O) 같은경우도 분자식으로 이렇게 하나의 분자를 표현합니다. 뭐 여기까지는 배운내용이거나 배울 내용이므로 상식의 수준으로 알아두시면 언제든 아는척이 가능하니까... 잘 이해 안되면 조금더 검색의 힘을 빌려보는걸로하고.. 오늘 중요한 전자와 양자에 대해서도 조금더 설명해보겠습니다.
(소금 같은거는 분자라고 하지않고 화합물 이라고해서 분자가 결합한 형태로 봅니다. 이부분이 좀 헷갈림)

어쨌든 원자는 화학반응으로는 더이상 쪼갤수 없는 단위를 이야기 하기때문에 원자의 구성에 대해서는 꽤 오랫동안 비밀에 쌓여있었지만, 닝겐들은 언제나 그렇듯이 원자의 구성에 대해서도 끊임없이 연구했고 어느정도 원자의 구성에 대해서도 이론이 성립되어있습니다. ( 이론이라고 하는 이유는.. 원자보다 작은단위는 볼수가 없기때문에...)

원자는 양성자/중성자/전자 같은놈으로 구성되어있습니다...

에 그리고 양자는.. 어떤 물질의 형태가 아니라 이놈들을 구성하는 에너지를 말합니다. 즉 이 원소세계를 구성하는 최소한의 에너지를 말하기에 어떤 형태나 모양을 가지고 있는게 아니라서 이해하기가 어려워요. 게다가 보이지도 않고요~

양자컴퓨터에 뜬금없이 왜 분자이야기를 하는가?

왜냐하면, 지금 현재 모든 컴퓨터(디지털)방식의 기초중의기초.. 기본중의 기본 최소단위에대한 이해가 있어야하기때문입니다. 많은 분들이 아시겠지만, 디지털방식은 전기가 흐른다 안흐른다 두개의 상태를 가지고 1,0 두개의 숫자에 대입시켜서 2진법을 만듭니다.

그 2진법을가지고 더하고 빼고 곱하고 나누는등의 기초 산수를 할수있게 만들었고, 이 기초산수를 통해 논리계산도 하게 만들었으며, 모든 디지털의 마지막의 마지막까지 들어가다보면 결국 컴퓨터가 하는일은 무엇이냐면, 전기가 흐르냐(1) 안흐르냐(0)를 측정하는 행위로 인해 모든걸 시작 하게됩니다.

초기에는 요렇게 생긴 진공관을 이용했습니다. 진공관을 4개를 1,2,3,4 번이라고 번호를 붙여놓은뒤에
2번4번에 전기를 흐르게 하고 이를 측정한뒤 결과를 보면 0101 이라고 대입하는거죠. 이를 이진수에 대입하면 숫자를 표현하는게 가능합니다.

덩치도 큰 이 진공관은 곧 사라집니다. 굳이 커다란 진공관이 아니어도 전기를 체크하는 방법이 발명되기때문인데요, 이때문에 컴퓨터의 덩치가 획기적으로 (건물하나 에서 방한칸) 정도로 축소됩니다.

방한칸짜리 컴퓨터도 뭐.. 크긴합니다만, 당시로서는 꽤 획기적이었으니까요... 이 발명이 바로 트랜지스터입니다.
현대의 CPU에는 이 트랜지스터가 무지막지하게 작은 크기로 들어갑니다. 초기의 트랜지스터는 그렇게 작지 않았지만...

주먹만한게 손톱만해지더니 이내 얇은 종이막 같은거에 프린트하듯이 제작하다가 지금은 나노 공정이라는 공법으로 도저히 사람눈으로는 볼수 없을정도로 미세하게 만듭니다... 엄청난거죠...

이미 2004년 발매된 팬티엄4에서 하나의 cpu에 1억개가 넘는 트랜지스터가 집적되었고 이때를 기준으로 나노 공정이 도입되기 시작하더니 최근 나오는 cpu들은 20억개가 넘는 트랜지스터를 하나의 cpu에 때려넣고있습니다.

손바닥보다 작은 사각형에 20억개의 트랜지스터라니... 크기가 도데체 얼마나 작을지 상상이 가지 않겠지요?

트랜지스터 방식의 한계.

이미 트랜지스터 방식은 한계에 다다랐습니다. 이제 다들 아시겠지만 기본적으로 트랜지스터방식은 전기가 흐르냐 아니냐를 가지고 동작을 합니다.

그리고 전기가 흐른다는것은 전자(정확히는전하가) 전선을 타고 이동하는것을 말합니다.

그런데 점점 크기가 작아지고 트랜지스터하나의 크기가 분자레벨에 다다르기 시작하자 문제가 발생합니다.

전자가 마구 튀기 시작한겁니다.

사진은 2015년 개발된 세상에서 가장작은 분자단위의 트랜지스터... 물리적으로 이것보다 작게만드는건 사실 불가능의 영역일겁니다.

전자가 튀는 현상

전하가 아주 미세한 전선을타고 트랜지스터를 이동하다보니 이게 어떤이유에서인지 다른 전하의 흐름에 관여하기 시작한겁니다. 너무 미세하게 만들어서 한곳에 몰아넣다보니, 그전에는 무시할만한 수준의 간섭현상이 점점 무시하지 못할만큼 간섭하게 된것이지요. 게다가 전자가 흐르는 길목인 전선이 분자 사이즈보다 작을수는 없으므로 집적하는데에도 물리적인 한계가 생기게 됩니다.

여러개를 묶어서 속도를 좀 더 내는 방법외에는 해결할수 있는 방안이 딱히 없는 현실에 이르게 된거죠.

그래서 전자를 기본으로하는 현대의 디지털 방식은 한계를 만납니다.

양자란..

휴.. 양자를 설명하려니 참 힘들긴합니다만, 얘는 사실 실체가 없습니다. 그래서 힘듭니다 ㅋㅋ 그러나 양자의 개념은 뭐냐면..

떡이 한덩어리 있다고 가정해보겠습니다.
이 떡을 반으로 나누고..반으로 나누고 반으로나누고 반으로 나누고... 계속 반으로 나누었을때.
더이상 떡을 반으로 나누지 못하는 단위가 나타나게 된다는거고, 이것을 양자 라고 부릅니다.

더이상 나누지 못하는 단위가 존재한다면, 그것을가지고 모든 질량을 정확하게 가늠할수있는 기준이 되겠죠? 그래서 과학자들은 이 양자를 본적도 없지만 있을거야!! 라면서 존재를 증명하기위해서 엄청난 노력을 기울여왔고.. 그 유명한 아인슈타인 형님도 이 빛의양자(광자)이론을 가지고 노벨상을 타셨습니다.

이 단위는 길이/에너지/운동량/퍼텐셜 등 여러가지의 상태를 다 아우르기때문에 양자 라는 단어 자체는 엄청 포괄적인 의미가 됩니다.

그리고 요즘 양자컴퓨터에 사용되는 양자개념은 보통 광자(빛의양자)를 가지고 합니다. (아닐수도있어요 흐어..너무어렵..)

하여간 이 양자란 놈이....

꽤 재미있는 특성을 가지고 있는데, 뭐 그중 유명한 양자 얽힘은 양자를 이용한 통신에 활용이 될법하지만, 그것은 다음에 한번 설명해 보도록하고, 기존의 전류를 이용한 방식과 다른점이 뭐인고 하니..

전류는 정보를 한번에 하나씩만 저장합니다.

마치 모스부호처럼..

흐른다 안흐른다 안흐른다 흐른다

이러면 1 0 0 1 이렇게 되죠.

이걸 측정하려면 총 4번을 측정해야합니다. 아주 재빠르게 측정하지만, 고도화 되면 될수록 시간이 0은 아니므로.. 중첩이되어서 한계가 발생하게되죠.

그런데 양자는 좀 다릅니다. 양자는 양자 4개를 한꺼번에 측정합니다. 이게 좀 다르다고 할수있습니다. (그리고 측정후 특성이 사라져버립니다. 이것도 또다른 특성이고 이때문에 보안에 강력하다고 할수있습니다. )

디지털방식의 1개의 전류통로를 1비트 라고 부르고
양자 방식의 1개의 양자통로를 1큐비트 라고 부릅니다.

익숙하시겠지만 8비트, 16비트, 32비트, 최근에는 64비트 방식의 컴퓨터를 접해보셨을텐데,
이것은 다른게 아니고 한번에 8개의 전류통로 측정하면 8비트, 64개의 전류통로를 측정하면 64비트 라고 부르는겁니다.

전선 64가닥을 한묶음으로 하면 64비트라는 이야기지요. 사진은 32비트 케이블입니다. 많이 보셨지요?

그리고 현재 나노공정에서 64비트 공정 다음은 128 비트 공정인데 아직 상용화되진 않았습니다(되긴 될려나 ㅡㅡ). 그만큼 어렵고 해결해야하는 문제점들이 많거든요.

헌데 큐비트는 개념조차 다릅니다. 하나의 큐비트 통로에 50개 100개 1000개를 우겨넣을수 있기때문이죠.

50큐비트를 매직넘버라고 부르는데, 왜냐하면 50큐비트급부터 이론적으로 비트 방식의 슈퍼컴퓨터보다 기능적으로 우위를 점할수있는 큐비트이기 때문입니다.
하지만 50큐비트의 오류 보정용으로 몇천큐비트수준의 보정용 큐비트가 또 필요하기때문에 아직은 멀고먼 미래의 이야기가 되지요..

만약 미래에.. 양자 컴퓨터 기술이 발전해서 50큐비트가 아니라 100큐비트 300큐비트 수준의 기술이 완성된다면, 지금의 컴퓨터의 연산능력은 그 즉시 먼지가 되어 사라질 정도로 말도안되는 계산력의 컴퓨터가 출현 할겁니다.

그리고 이점이 블록체인의 미래에 가장 위협이 되는(모든 해쉬레이트를 다씹어먹을테니)부분중 하나이기도 하고요. ( 이부분은 양자컴퓨터의 강력크한 계산력을 논리적으로 회피하는 코인들도 있기에 해결점은 있습니다. 너무 걱정마시길..)

광자.. 즉 빛을 쪼개서 광자상태로만든뒤에 이를 안정적으로 유지해서 원하는대로 사용하는데에는 무지막지한 에너지가 소모된다는 단점도 해결해야하고.. 아직 멀고먼 이야기 입니다만, 언젠가는 현실화될 이야기 이기도 합니다.

흠.. 너무 어려운 이야기를 늘어놓은것같네요.. 궁금한점이나 이해안가는부분 댓글 달아주시면.. 댓글에 답변을 해드리거나 그부분을 주제로 포스팅을 새로 해보거나 하겠습니다.!

잘못된부분 지적도 부탁드립니다.... 용어가 혼란스러워서 저도 막 쓰면서 엄청 헷갈리네요! ㅠㅠ