양자 컴퓨팅 기술을 사용하여 글로벌 기후 변화에 대처: 기회와 과제

양자 컴퓨팅은 양자 물리학을 기반으로 하는 새로운 형태의 컴퓨팅을 말합니다. 이는 데이터 처리 및 최적화 측면에서 기존 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘할 것을 약속합니다. 이 기술은 에너지 성능 개선, 도시 계획 최적화 등 광범위한 환경 응용 분야에 적용됩니다.

양자컴퓨팅이란 무엇인가요?

우리 일상에서 사용되는 고전적인 컴퓨터는 인류 발전에 이롭습니다. 그러나 점점 더 정교해지는 기계로 점차 대체되고 있습니다.

기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제 중 하나는 최적화입니다. 예를 들어, 테이블 주위에 10명이 앉을 수 있는 좌석을 구성하려면 가능한 조합이 몇 개나 될까요? 답은 약 360만 개의 조합에 해당합니다. 좌석 수가 늘어날수록 가능한 조합의 수도 기하급수적으로 늘어납니다. 최적의 좌석 배열을 찾으려면 먼저 최적의 배열을 결정하는 기준 목록이 필요합니다. 그러나 가장 노동 집약적이고 시간이 많이 걸리는 부분은 기존 컴퓨터가 결과를 생성하기 위해 각 조합을 시뮬레이션해야 한다는 것입니다. 데이터 크기에 따라 기존 컴퓨터에서는 결과를 생성하는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있습니다. 그러나 양자 컴퓨터는 몇 분 안에 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

클래식 컴퓨터의 정보 기본 단위는 이진수라고 하며 일반적으로 "비트"라고도 합니다. 1비트는 "1" 또는 "0"입니다. 한 행에 2개의 비트가 있는 경우 00, 01, 10 및 11의 네 가지 조합이 가능합니다. 따라서 기존 컴퓨터는 결과를 생성하기 위해 4번의 시뮬레이션을 수행해야 합니다.

한편, 양자 컴퓨터의 정보 기본 단위를 “큐비트”라고 합니다. 큐비트는 "1"도 아니고 "0"도 아닙니다. 대신에 "1"과 "0"이 중첩되어 존재합니다. 즉, '1'인 동시에 '0'이 되는 것입니다. 따라서 연속된 두 개의 큐비트는 00, 01, 10, 11의 네 가지 상태가 중첩되어 있습니다. 왜 혁명적인가? 모든 상태가 중첩된다는 것은 이론적으로 양자 컴퓨터가 결과를 생성하기 위해 한 번만 시뮬레이션하면 된다는 것을 보여줍니다. 단 몇 번의 시도만으로 360만 개가 넘는 조합 중에서 가장 잘 배치된 10개의 좌석을 찾아보세요.

양자 컴퓨팅과 환경 보호는 어떤 관계가 있나요?

양자 컴퓨팅은 최적화가 필요한 모든 영역에 채택될 수 있습니다. 에너지 성능을 향상시키거나 에너지 소비를 최소화하는 스마트 시티를 개발하는 것이 될 수 있습니다.

한 가지 예는 고전 컴퓨터가 제대로 수행하지 못하는 수학 문제인 QAP(2차 할당 문제)입니다. n 시설과 n 위치가 있고, 에너지 소비를 최소화하기 위해 각 위치에 시설을 구성해야 한다고 가정해 보겠습니다. 논리적으로 두 시설 사이에 대량의 화물을 자주 운송해야 한다면 두 시설을 더 가깝게 배치하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다.

한 연구에서는 20개 시설 및 위치의 데이터를 제공하여 2차 할당 문제를 해결하는 데 있어 양자 컴퓨터와 클래식 컴퓨터의 성능을 비교했습니다. 그 결과, 양자컴퓨터는 약 700초 만에 정확한 답을 내놓았지만, 클래식 컴퓨터는 12시간이라는 시간 제한을 맞추지 못했다. 이 연구는 에너지 소비를 최소화하기 위해 도시 계획을 최적화하는 데 있어 양자 컴퓨팅의 엄청난 잠재력을 보여줍니다.

양자컴퓨팅은 기능성 외에도 그 자체로 친환경적인 기술입니다. NASA, 구글, 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory)가 공동으로 발표한 연구에 따르면, 양자 컴퓨터는 동일한 작업을 수행하는 데 기존 컴퓨터가 소비하는 에너지의 0.002%만 필요합니다. 컴퓨터가 소비하는 에너지는 엄청납니다. 일반 사람들의 컴퓨터와 스마트폰이 소비하는 에너지를 제외하면 데이터 센터 자체가 이미 전 세계 전력의 1% 이상을 차지하고 있습니다. 데이터를 큐비트 형태로 저장할 수 있다면 많은 에너지를 절약할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅이 직면한 과제

현재 세계에서 가장 강력한 양자 컴퓨터는 IBM(International Business Machines Corporation)에서 개발한 127큐비트 용량의 "​Eagle​​"입니다. 그러나 과학자들은 양자 컴퓨터가 최소 1,000큐비트의 용량을 갖추지 못하면 상업적으로 사용할 수 없을 것이라고 믿고 있습니다. 양자 컴퓨터의 느린 발전은 주로 이를 구축하는 데 따른 기술적 어려움 때문입니다.

과학자들은 큐비트를 생성하기 위해 전자만큼 작은 입자를 조작하라는 요청을 받고 있습니다. 전자는 일관성을 유지해야 하는데, 이는 전자파가 서로 간섭할 수 있는 상태를 의미합니다. 그러나 전자는 소음, 온도 등 외부 환경에 매우 민감합니다. 따라서 큐비트 제작은 일반적으로 절대 영도 근처에서 작동하는 격리된 환경에서 수행됩니다. 원자는 절대 영도인 가장 낮은 에너지 상태에서 움직이기 때문에 전자를 이 온도로 유지하면 원자가 안정적으로 유지되고 외부 환경의 영향을 덜 받는 데 도움이 됩니다. 이는 결어긋남의 발생을 줄이는 방법입니다. 그러나 결맞음이 발생하면 외부 간섭으로 인해 다른 전자의 나머지 결맞음이 파괴될 수 있으므로 이를 교정할 수 있는 명확한 방법이 아직 없습니다.

양자컴퓨팅은 아직 개발 단계이지만, 1980년대 이론으로 처음 등장한 이래로 이 분야에서 엄청난 발전을 이루었습니다. 양자 컴퓨팅은 다양한 난치병에 대한 약물 개발을 위해 기존 컴퓨터가 할 수 있는 것 이상으로 신체의 분자 데이터를 추적하는 것부터 도시, 국가, 심지어 세계의 에너지 효율성을 최적화하는 것까지 인류의 다음으로 가장 큰 발전이 될 수 있습니다.

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