초록 ▼

1. 양자정보 시대의 도래



1.1. 양자역학의 발전

20세기는 두 가지 과학 분야에서 비약적인 발전이 있었다. 한 가지는 양자역학 분야이다. 막스 플랑크로부터 시작되는 불연속적 에너지 개념은 세상의 많은 기본적인 부분에서 불연속적인, 그래서 양자(quantum)적으로만 해석되는 것이 필요함을 알게 되었다[1]. 이러한 불연속성의 개념은 이후 아인슈타인, 슈뢰딩거로 이어지는 1920년대에 이르러 불확정성, 입자 파동의 이중성 등과 같이 새로운 형태의 개념적 특성이 존재함이 발견되

1. 양자정보 시대의 도래



1.1. 양자역학의 발전

20세기는 두 가지 과학 분야에서 비약적인 발전이 있었다. 한 가지는 양자역학 분야이다. 막스 플랑크로부터 시작되는 불연속적 에너지 개념은 세상의 많은 기본적인 부분에서 불연속적인, 그래서 양자(quantum)적으로만 해석되는 것이 필요함을 알게 되었다[1]. 이러한 불연속성의 개념은 이후 아인슈타인, 슈뢰딩거로 이어지는 1920년대에 이르러 불확정성, 입자 파동의 이중성 등과 같이 새로운 형태의 개념적 특성이 존재함이 발견되었고, 이를 이론적으로 정교하게 기술하는 양자역학 수준으로 발전되었다[2]. 이러한 양자역학은 이후에도 계속 비약적으로 발전하였다. 기본적으로 양자역학은 우리가 쉽게 접하지 못하는 미시세계에서 나타나는 자연현상을 이론적으로 기술하는 정교한 해석체계이다. 사실 현재 우리가 많이 사용하는 반도체 등에서도 이미 양자역학적 현상이 적극적으로 활용되고 있기 때문에 양자역학적 특성은 이미 우리 일상생활 깊이 자리하고 있지만 이러한 미시세계의 현상을 일상생활에서 직접적으로 경험하기는 어렵다.



1.2. 정보학의 발전

20세기 초 힐버트라는 수학자는 수학적으로 공간이 지수적으로 증가하는 힐버트 공간이라는 개념을 제시하였으며, 동시에 수학 문제에 대한 계산가능성에 대한 이론을 연구하였다[3]. 또한 수학적 문제를 자동으로 계산하는 이론체계에 대한 연구도 수행하였다. 이후 1940년대에 튜링에 의해서 계산가능성과 이를 실제로 구현하기 위한 개념적 연산기인 튜링머신이 제안되었다[4]. 이는 세상의 모든 문제는 간단한 계산 모델로 모사될 수 있으며, 계산 대상이 되는 문제는 계산 모델(튜링머신)의 동작 복잡도로 구분될 수 있음을 제시하였다. 물론 논리적으로 계산불가능한 문제는 해결할 수 없으며, 다만 계산은 가능하지만 복잡도가 높은 문제와 낮은 문제를 구분하는 데 사용된다. 이후 이러한 튜링머신은 자동화된 형태로 구현되는 노력이 진행되었다. 이때 폰 노이만과 섀넌 등에 의해서 계산기 모델과 정보량의 변화에 대한 연구가 시작되었다. 이 당시부터 정보의 정량화에 대한 연구가 시작되었고, 이를 개념적으로 표현한 단어가 이진정수(Binary Integer, bit)이다. 이 이후부터는 비트에 기반한 정보기술의 발전이 시작되었다. 이진정수라는 것이 의미하듯 bit는 기본적으로 매우 확정적이고, 인간이 느끼기에 기존의 사칙연산 등과 같이 한 순간에 하나의 값을 표현하는 방식이다.



1.3. 비트 기술의 발전 및 한계

이러한 비트 기반 정보기술은 이후 약 50여 년간 지속적으로 발전하였다. 발전하는 방향은 크게, 더 빠르게 전송하고(통신) 더 많이 계산하고(컴퓨터) 더 정확하게 검출하는(센서) 형태로 발전하였다. 이에 따라 현재의 정보기술은 과거 1950년대에는 상상으로만 여겨지던 것이 실제로 구현되는 수준이 되었다. 이렇게 지속적으로 발전하는 정보기술은 실제로는 더 작은 크기의 정보 표현 방법을 개발하는 데 초점이 맞추어진 것이다. 특히 비트 기반 정보를 표현하는 단위가 작아지면 정보를 전달, 저장, 처리, 취득하는 데 더 빠르게, 더 정확하게, 더 많이 수행할 수 있기 때문이다. 이러한 이유로 지난 50여 년간은 정보를 어떻게 하면 더 작게 표현할 수 있는지에 대한 기술적 발전이 있었다고 해도 과언이 아니었다. 이를 대표하는 기술적 발전 추세가 무어의 법칙이다. 매년 몇 배씩의 정보량이 동일 크기에 집적될 수 있다는 내용이 기본인데, 이러한 기술은 근본적으로 매년 높은 기술적 한계 돌파를 요구하게 되었다. 이러한 기술적 발전 추이가 지속되면서 급기야 20세기 말, 21세기 초인 현재에 들어서는 더 이상 기존의 비트 기반 집적의 증가가 매우 어렵다는 수준까지 도달하게 되었다. 이에 최근의 기술적 수준은 무어의 법칙이 더 이상 동작하기 어려운 수준까지 발전하였으며, 무어 법칙의 종말로 표현되기도 한다[5].



1.4. 양자정보학의 시작

이러한 비트 기반 기술의 지속적 발전 한계의 어려움을 해결하기 위해서는 다른 개념적 변화가 필요하였다. 이때 다시 양자역학적 요소가 반영된다. 사실 1980년대에 이미 파인만을 통해서 양자역학적 현상은 비트 기반 기술로는 표현하기 어렵다는 사실이 알려졌고, 이는 역으로 양자역학적 현상에 근거한 정보기술은 기존의 비트 기반 기술의 한계를 돌파할 수 있음을 의미하는 것이다[6]. 이후 1990년대 몇몇 양자역학, 정보학 연구자들이 함께 모여서 양자역학적 현상을 갖는 정보에 대한 개념적 수준의 연구를 본격화하였다. 이에 따라 양자역학적 현상을 갖는 정보(quantum bit, qubit, 큐비트 혹은 큐빗)가 정의되었다. 이는 정보학, 특히 컴퓨팅 이론의 입장에서는 다시 20세기 초로 회귀하여 계산 모델 및 계산 능력에 대한 연구를 다시 촉발하는 계기가 되었다. 양자정보에 기반한 계산 모델(양자컴퓨터), 양자정보에 기반한 알고리즘(양자 알고리즘), 양자계산 모델의 계산가능성과 한계(양자계산복잡도) 등에 대한 연구가 본격화되었다.



1.5. 양자컴퓨팅의 높은 계산 능력 확인

실제로 양자컴퓨팅 연구개발이 촉발된 계기는 수학자였던 쇼어가 고안한 큰 수에 대한 소인수분해 알고리즘이었다[7]. 소인수분해 알고리즘은 비트 기반 알고리즘의 경우에는 현재까지도 매우 복잡하여 계산량이 매우 큰 문제를 갖고 있다. 반면에 양자정보 기반 알고리즘(양자 알고리즘)의 경우에는 다항적 복잡도를 갖는 것으로 확인되었다. 그런데, 이러한 소인수분해 알고리즘이 중요한 이유는 현재 사용되는 비트 기반 암호체계가 많은 경우 큰 수의 소인수분해 어려움에 근거하고 있기 때문이다. 즉, 양자컴퓨터가 만들어지면 기존 비트 기반 암호체계의 많은 부분에서 큰 문제점이 발생하게 된다. 이와는 별도로 그루버는 양자컴퓨터를 이용하면 큰 탐색공간에서 원하는 데이터를 기존 비트 기반 대비 빠르게 수행할 수 있음을 증명하였다[8]. 이때 성능 향상 정도는 제곱 수준으로 빠르다. 다른 한 측면에서 양자컴퓨터는 양자역학을 그대로 모사할 수 있기 때문에 앞서 파인만이 언급하였던 문제상황을 쉽게 해결할 수 있음이 로이드에 의해서 입증되었다[9]. 전반적으로 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터가 계산하기 힘든 문제에 대하여 매우 효과적으로 해결할 수 있음이 제시되었다.



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