자연을 계산하기 위한 기계, 양자 컴퓨터의 태동

양자 컴퓨터의 기초 개념은 1982년 리처드 파인만의 논문에서 처음 제시되었다. 〈컴퓨터를 활용한 물리 시뮬레이션(Simulating Physics with Computers)〉이라는 제목이 암시하듯 이는 자연과 그 근본을 이루는 미시세계의 효과적인 모의실험을 위해 양자 역학적 연산 기계의 필요성을 역설하는 내용을 담고 있다. 자연을 정확히 계산하기 위해 그 원리를 컴퓨터로 활용한다는 발상이 양자 컴퓨터의 역사를 열었다는 사실은 다양한 양자 알고리즘 연구가 진행되고 있는 현재 특히 중요한 의미를 갖는다.

양자 연산의 핵심 : 해밀토니언과 알고리즘

양자 연산은 기본적으로 해밀토니언을 통해 기술된다. 해밀토니언은 자연의 특정한 계(system)를 내부 에너지의 총합으로 나타낸 것으로, 거칠게 함축하면 ‘해밀토니언이라는 규칙에 따라 자연의 양자 상태를 변화시키는 과정’이 양자 연산이라고 할 수 있다.
매력적으로 들리는 것과 별개로 이는 많은 활용 상의 난관이 있음을 내포하고 있는데, 실세계에 존재하는 문제들은 비(非)자연적 성질을 가진 경우가 많으므로 이에 문제의 형태를 양자 연산에 적합하도록 변환할 필요가 있기 때문이다. 바로 이 지점에서 효율적인 양자 알고리즘 개발의 필요성이 대두된다.

양자 알고리즘의 가능성을 보여준 쇼어 알고리즘

쇼어 알고리즘은 실세계 문제와 양자 연산의 특징을 효과적으로 합치시킨 좋은 예시이다. 쇼어는 소인수 분해와 양자 상태의 주파수 특정이라는 두 문제가 주기(period)를 찾는 문제로 공히 환원될 수 있음을 발견하였다.
이에 소인수 분해 문제를 양자 상태의 주파수 탐색 문제로 변환하여 해결하는 구조를 제시하였고, 이는 기존 암호 체계를 위협한다고까지 여겨지는 양자 소인수 분해 알고리즘의 탄생으로 이어지게 되었다.
쇼어 알고리즘은 주어진 문제를 양자 환경에서 적절하게 표현 가능할 경우 발휘될 수 있는 양자 컴퓨터 성능의 잠재력을 보여준 사례로 평가된다.

알고리즘이 실용화를 이끈다

양자 하드웨어 설계와 그 동작 원리의 구성에 양자 역학에 대한 깊은 이해가 필수적이라는 사실은 초기 고전적 컴퓨터의 개발이 물리학과 전기공학에 대한 광범위한 지식과 응용을 요구했던 것과 유사하다. 이로부터 미루어 보면 현재 컴퓨터 공학의 많은 분야가 하드웨어 추상화 계층 위에서 알고리즘과 프로그래밍을 전문적으로 연구하는 학문으로 발전한 것과 마찬가지로, 양자 컴퓨팅 역시 양자 하드웨어 실용화를 전제로 소프트웨어적 응용을 집중적으로 탐구하는 다양한 세부 분야가 파생될 가능성이 높다고 예상할 수 있다. 이러한 맥락에서 양자 컴퓨터의 성능을 최대로 활용할 수 있는 알고리즘 개발의 중요성은 앞으로 더욱 증가할 것으로 보인다.

꿈의 기계로 곧잘 묘사되곤 하지만 양자 컴퓨터는 경우에 따라 기존 컴퓨터보다 성능이 떨어질 수도 있으며, 실용화를 가로막는 현실적 문제들이 아직 미해결 상태로 남아 있다. 그럼에도 많은 학자들은 양자 컴퓨터가 인류의 기술 발전에 궁극적으로 크게 기여할 것이라는 데 동의한다. 기계적으로는 단순히 0과 1의 입출력을 빠르게 처리할 뿐인 컴퓨터가 수많은 혁신을 낳은 것처럼, 양자 컴퓨터 역시 강력하고 다양한 기능을 가진 알고리즘의 개발을 통해 그 성능과 효율을 극대화하는 방안을 마련할 수 있을 것이다.