아이온큐와 양자컴퓨터의 미래

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✏️ 양자컴퓨터가 왜 필요한가

지금의 컴퓨터

우선 기존의 컴퓨터가 어떻게 발전해왔는지를 알면 좋을 것 같다.

컴퓨터는 단순한 부품들로 이루어져있고, 그 부품들은 데이터를 표시, 처리, 통제하는 간단한 일을 한다. 컴퓨터 칩들은 모듈을 가지고 있는데, 그 모듈은 논리회로(Logic gate)를 가지고 있고, 논리회로는 트랜지스터를 포함하고 있다.

트랜지스터는 간단한 형식의 데이터 처리장치이다. 정보가 흐르는 통로를 막거나 여는 스위치라 봐도 될 것 같다. 이 정보는 기본적으로 0 과 1이라는 상태로 지정되는 비트(Bit)로 이루어져있다. 그리고 비트가 여러개 모여 더 복잡한 정보를 표현한다. 트랜지스터들은 결합하여 단순한 작업(NOT, OR, AND, etc..)을 처리하는 논리회로(logic gate)를 생성한다. 예를 들어 AND Gate는 불러들인 정보가 모두 1이라면 1을 출력하고 아니면 0을 출력하는식. 이런 논리회로들의 결합이 마침내 두 숫자들을 더 함으로써 의미있는 모듈을 생성하게 된다.

일단 더하기가 가능해지면 곱하기가 가능해지고 곱하기가 가능해지면 모든 기본적인 연산이 가능해진다. 이런 모듈이 충분히 모여 다발을 이루면 복잡한 연산을 해내는 컴퓨터가 된다고 볼 수 있다.

작아지는 컴퓨터

기술이 발전하면서 컴퓨터는 점점 소형화되고 강력해지고 있다. 하지만 이런 추세는 점점 물리학적인 한계를 맞이하고있는데, 무어의 법칙(Moore's Law)은 회로 집적도가 크게 증가하여 2020년 후반즈음에는 양자터널링 현상이 발생하여 전자들을 통제할 수 없을 것이라고 전망한다.

이게 무슨소리일까? 앞서 설명했듯 트랜디스터는 대충 얘기하면 전기스위치정도의 역할을 한다. 그리고 전기는 이동하는 전자들이다. 스위치는 전자들이 한 방향으로 움직이는 것을 통제해줄 수 있는 통로역할을 한다. 현재 전형적인 트랜지스터의 크기는 대략 14나노미터정도로 비유하면 HIV바이러스의 직경보다 8배작고, 적혈구보다는 500배 작은 크기이다. 계속해서 작아지면 어떻게될까?

트랜지스터가 원자크기만큼 줄어들게 되면 전자들은 양자터널링효과를 통해 막혀있는 통로를 그냥 통과해버릴 수 있다. 전자의 흐름을 조절하는 스위치역할을 해야하는데 전자가 양자수준의 미시세계법칙을 따라 움직이기 시작하는 순간 더 이상 제 역할을 할 수 없게 되는 것이다.

- 양자터널링

대충 짚고 넘어가면 이런거다.

우리가 이해하고/살고 있는 거시세계의 법칙에서는 언덕 중간에 공을 올리면 역학적 에너지 보존에 의해 두번째 언덕을 넘을 수가 없다. 하지만 미시세계에서는 자신이 가진 역학적 에너지보다 큰 퍼텐셜 장벽을 뚫고 마치 터널을 뚷고 넘어가듯이 입자가 이동해 두번째 언덕을 넘을 수 있다. 이걸 양자터널효과라고한다.

우리는 기술적 진보에 대한 물리적 장벽에 다가가고 있다. 이게 양자컴퓨터가 왜 필요한가에 대한 답중 하나가 될 수 있을 것 같다. 다른 답은 아래에서 해결될 것이다.

✏️ 그래서 양자컴퓨터가 무엇인가?

앞에서 말했듯 양자의 미시적인 세계에서는 그냥 다 ㅈㄴ 신기하게 움직이는데 과학자들은 이런 특이한 양자적 속성을 컴퓨터에 적용해보려했고 그게 양자컴퓨터다.

일반적으로 컴퓨터에서는 비트가 정보의 최소 구성단위이다. 0 또는 1.

양자컴퓨터에서는 비트가 아닌 큐빗 (qubit)이라는 단위를 사용한다. 슈뢰딩거의 안철수 드립을 한번쯤 들어봤을 것이다. (그럴 수도 있고 아닐수도 있습니다.) 그 느낌이다.

- 슈뢰딩거의 고양이 사고실험

슈뢰딩거가 고안한 사고실험인데 내용은 대충 이렇다.

상자에 고양이 한마리랑 청산가리가 든 유리병, 라듐(방사능물질), 가이거계수기(방사능 측정기)가 들어있다.
상자는 밖에서 안에서 어떤일이 일어나는지 전혀 알 수 없게 되어있다.
라듐핵이 붕괴하면 가이거계수기가 그걸 탐지하고 망치로 청산가리병을 부순다.
라듐핵의 붕괴확률은 1시간되 50%이다.
1시간뒤의 고양이는 살았을까? 죽었을까?

답은 존경하는 안철수님의 말씀대로 그럴수도 있고 아닐수도 있다. 핵심은 우리는 상자를 열기전까지 고양이의 상태를 알 수 없기때문에 '죽기도하고 살아있기도한 상태가 중첩된 고양이'가 존재한다는 것이다.

큐빗(qubit)이 그런거다. 관측전까지는 0과 1의 상태가 중첩된, 동시에 존재하는 그럴수도 있고 아닐수도 있는 체계다.

-큐빗 (qubit)

>중첩 (Superposition)

고전적인 컴퓨터는 하나의 입력에 하나의 결과를 내놓는다. 입력값에 대해 출력값이 선형적으로 결정되는 결정론적인 체계다. 하지만 양자컴퓨터는 불확정 세계의 중첩(superposition)을 이용한다. 관측전까진 여러 상태가 확률적으로 중첩된 상태로 존재하다 관측하거나 조작하는 순간 어느 하나의 상태로 고정된다.

이런 양자적 특성 덕분에 양자컴퓨터는 적은 큐빗으로도 많은 경우의 수를 표현할 수 있고(큐빗이 20개만 있어도 2^20=1048576에 달하는 값들을 동시에 저장할 수가 있다.) 큐빗의 행동자체가 비결정론적이라 여러가지 결과값을 한 번에 낼 수 있다.

>양자얽힘(Entanglement)

서로 분리되어 있는 두 물리계가 양자역학적 성질에 의해 서로 연결되어 있는 현상을 말한다. 서로 얽혀있는 두 물리계는 어느 한쪽의 상태가 측정에 의해 결정되면 다른 쪽의 상태도 그 측정 결과에 따라 결정되는 현상을 보인다. 얽혀있는 두 물리계를 아무리 멀리 떨어뜨려놓아도 이러한 성질은 유지된다.

즉 얽힌 큐빗 하나를 측정할때 또다른 얽힌 큐빗을 관칙할 필요없이 그 속성을 바로 사용할 수 가 있다는 것을 의미한다.

>양자컴퓨터의 작동

일반적인 논리회로는 간단한 일렬의 입력값을 가지고 하나의 명확한 결과값을 내놓는다. 양자게이트는 중첩의 입력값을 이용하고 확률상의 또다른 중쳡결과값을 도출한다. 그래서 양자컴퓨터는 일부 큐빗을 셋업하고 다른 큐빗과 얽히게하기위해 양자게이트를 적용시키고 확률을 이용해 결과를 측정함으로써 중첩들을 0,1로 와해(collapse)시킨다. 이것은 많은 연산결과를 동시에 얻어낼 수 있다는 뜻이다. 양자컴퓨터를 병렬컴퓨터라 부르는 이유가 여기에 있다.

✏️ 양자컴퓨터의 사용

- 데이터베이스 탐색

양자알고리즘은 데이터베이스의 탐색시간을 T에서 Root(T)로 감소시킬 것이다. 데이터가 방대해질 수록 이 차이는 극명할 것이다.

- 보안

브라우징, 이메일, 뱅킹등 보안시스템에서 우리의 데이터는 상대에서 Public Key를 제공해 나만이 해독할 수 있게 메세지를 암호화할 수 있게한다. 이 Public key는 내 Private Key를 계산하는데 사용이 될 수 있지만 일반의 컴퓨터로 이 계산을 하려면 수년의 시간이 필요하다. 하지만 양자컴퓨터의 연산능력으로는 이것을 금방 해낼 수 있다. 그렇기에 중국과 미국등 강대국은 패권을 지키고자 양자컴퓨팅기술을 가장 중요하게 확보해야 할 기술로 정하고 막대한 투자를 이어가고 있다.

- 의학

기존 컴퓨터의 연산능력으로는 어려웠던 미시적인 전자나 분자에 대한 모델링을 가능하게 하고, 이를 통해 분자반응을 양자컴퓨터를 통해 빠른 속도로 모델링할 수 있게함으로써 바이오분야에서 획기적인 성과를 만들어낼 것이다.

✏️ 왜 IONQ에 투자했는가

양자컴퓨팅기술은 IBM, GOOGLE등 강력한 기업들이 이미 많은 연구를 진행하고 성과도 내고 있다. IBM의 경우엔 이미 1985년부터 양자컴퓨터에 관심을 두고 연구투자를 계속하고 있다. IBM의 경우 이미 100큐비트 이상의 양자컴퓨터를 공개하기도했고 127큐빗 프로세서 공개를 예고하기도 한 상태이다. 근데 왜 IONQ를 투자하려하는가

첫째, 솔직히 기술에 대한 경외심과 함께 로또사는 기분으로 샀다. 위에 언급한 기업들은 다른 분야들에서 이미 많은 수익을 내고있고 시장으로 부터 충분히 인정받아 엄청난 기업가치를 보유하고 있다. 하지만 IONQ는 순수 양자컴퓨팅만 타겟팅하고 있는 첫 상장사례이다. 아직 초기단계이고 앞으로 양자컴퓨팅에 대한 시장의 관심과 IONQ의 성장가능성을 생각해 미리 선점해두고자했다.

둘째, 이 회사는 적자기업이고 앞으로도 한동안 쭉 적자기업일거다. 하지만 그럼에도 크게 걱정하지 않고 믿고 투자할 수 있을것이라 생각했다. 아마존, GV, MS의 브레이크스루 에너지 벤처스, 삼성전자의 삼성캐털리스트펀드에 이미 투자를 받았고 앞으로도 많은 투자가 이어질 것이라 생각하기 때문. 또한 미국의 양자연구집중지원법안을 고려했을때 어느정도 리스크를 감수할만 하겠다고 생각했다. 재무를 좀더 확인해보고 부채비율과 자기자본정도를 확인해본후 추가 기재하겠다.

셋째, IONQ가 제시하는 비전이 IBM, GOOGLE과 차이를 가지고 있기때문이다. 그리고 그 차이가 미래를 바꿀수 있겠다고 생각했다. IBM, MS, GOOGLE의 양자컴퓨팅 기술은 절대 0도에 가까운 극초저온에서 이루어진다. 즉 실생활에는 적용될 수 없고 전문적인 분야에서만 이용될 것이라는 것이다. 물론 사실 난 그것만으로도 충분하다 생각하고 해당 방향으로의 발전이 기술발전에 엄청난 영향을 줄것이라 생각하지만, IONQ는 양자컴퓨터를 연구실 밖의 시장에 내놓는다는 목표를 가지고 기업을 설립했다. 이 차이에 베팅해보기로 했다. 차이점이나 여러가지 더 적고싶은게 있는데 모레면 군입대라 이정도에서 줄이겠다.

아마존에서 양자컴퓨팅서비스를 출시하는걸 보면서 양자컴퓨팅의 미래가 생각보다 멀리있지 않을 수 있겠다는 생각에 투자를 결심했다. 리스크가 있는만큼 비중은 10%정도 유지를 계획하고 있다.