제로 투 양자

중첩

양자 수준에서 물리적 시스템은 동시에 여러 상태로 존재할 수 있습니다. 이러한 시스템이 관찰되거나 측정될 때까지 해당 시스템은 동시에 모든 위치를 차지합니다. 양자역학의 이러한 핵심 원리를 활용하여 양자 컴퓨터는 가능한 모든 결과가 계산에 동시에 존재할 수 있다는 시스템의 가능성을 기반으로 작동합니다. 양자 컴퓨팅에서 사용하는 시스템의 종류로는 광자, 포획된 이온, 원자 또는 준입자가 있습니다.

간섭

양자 상태는 다른 양자 상태를 방해할 수 있습니다. 간섭은 진폭을 상쇄하거나 진폭을 증폭하는 형태를 띨 수 있습니다. 이러한 간섭을 시각적으로 표현해 보려면 물 웅덩이에 돌멩이 두 개를 동시에 떨어뜨리는 경우를 떠올릴 수 있습니다. 각 돌이 일으키는 파장의 경로가 서로 겹칠 때 파동에서 더 강력한 마루와 골이 생성됩니다. 이러한 간섭 패턴 덕분에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 완전히 다른 알고리즘을 실행합니다.

얽힘

양자 수준에서는 입자와 같은 시스템이 얽혀 먼 거리에 있어도 서로의 동작을 미러링합니다. 양자 컴퓨터는 하나의 시스템 얽힘 상태를 측정하여 다른 시스템의 상태를 ‘알 수 있습니다’. 실제적인 예를 들면, 양자 컴퓨터는 전자 B가 수백만 마일 떨어져 있다고 하더라도 전자 A의 스핀을 측정하여 전자 B의 스핀 동작을 알 수 있습니다.

큐비트

기존 컴퓨팅은 비트라고 불리는 바이너리의 결합을 통해 계산을 수행합니다. 이것은 기존 컴퓨팅이 지닌 근본적인 한계입니다. 즉, 주어진 시간에 두 가지 상태 즉, 0이나 1 중 하나만 가질 수 있는 언어로 작성됩니다. 하지만 양자 컴퓨팅을 사용하면 0이나 1일 수도 있고 0이나 1의 중첩된 어떤 비율일 수도 있는 양자 상태 언어로 계산이 작성됩니다. 이러한 유형의 계산 정보를 ‘양자 컴퓨터 비트’ 또는 큐비트라고 합니다.

큐비트는 시스템 내에서 정보가 기하급수적으로 증가할 수 있는 특성을 갖습니다. 동시에 작동하는 상태가 여러 개인 큐비트는 비트보다 훨씬 더 많은 방대한 양의 정보를 인코딩할 수 있습니다. 이런 이유로 양자의 컴퓨팅 성능은 과장하기가 어렵죠. 결합된 큐비트의 컴퓨팅 성능은 기존 컴퓨팅보다 훨씬 더 빠르게 증가합니다. 또한, 큐비트는 프로세싱 칩처럼 물리적 공간을 차지하지 않기 때문에 일부 측정값에 따르면 무한 컴퓨팅 능력에 도달하는 것이 훨씬 쉽습니다.

양자 컴퓨터의 유형

양자 컴퓨팅를 이해하려면 양자의 움직임 동작, 위치, 관계를 나타내는 원리를 알아야 합니다.

유형에 상관없이 양자 컴퓨팅 하드웨어는 슈퍼컴퓨팅과 관련이 있는 서버 팜과 매우 다릅니다. 양자 계산을 실행하려면 주변 입자로 인한 변경이나 방해 없이 측정할 수 있는 상태로 입자를 배치해야 합니다. 대부분의 경우 이러한 조건은 컴퓨터를 절대 0도에 가깝게 냉각하고 금박막을 사용하여 큐비트 입자를 노이즈로부터 보호하는 것을 의미합니다. 현재 양자 컴퓨터에는 이와 같이 세심하고 정밀한 조건이 필요하기 때문에 매우 특수한 환경에서 구축하여 구성해야 합니다.

오늘날, 디지털 암호화의 주된 형태 중 하나는 일반적으로 공개 키 암호화로 알려진 RSA(Rivest-Shamir-Adleman)입니다. RSA 알고리즘은 1977년 Rivest, Shamir, Adleman에 의해 처음 도입되었으며 여전히 암호화를 위한 매우 강력한 입증된 시스템으로 자리를 지키고 있습니다.

RSA는 결합하여 큰 소수를 형성하는 디지털 키 두 개를 기반으로 합니다. 기존 컴퓨터는 알려진 수 두 개를 손쉽게 곱해 소수를 구할 수 있지만 반대의 경우를 해결하는 데는 매우 취약한 도구입니다. 기존 컴퓨터는 무차별 이진 계산을 사용하여 소수에서 두 가지 요소를 산출하기가 어렵습니다. 간단히 말해, 현재 RSA 알고리즘은 본질적으로 해독할 수 없는 코드인데, 가장 강력한 슈퍼컴퓨터라고 하더라도 합리적인 시간 이내에 키 값을 계산할 수 없기 때문입니다. 오늘날 2048비트 RSA 암호화는 가장 빠른 슈퍼컴퓨터가 처리하더라도 대략 300조 년이 걸립니다.

바로 이 지점에서 양자 컴퓨터로 인한 위협이 등장합니다. 양자 컴퓨터는 선형 경로를 추적하지 않고 한 번에 모든 가능성을 분석할 수 있기 때문에 기존 컴퓨터의 한 번에 1개 루트를 처리하는 방식을 효과적으로 ‘건너뛰어’ 합리적인 시간에 정확한 계산에 도달할 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 많은 소수를 올바른 요소로 나누어 RSA를 효율적으로 깰 수 있는 역량을 갖추고 있습니다. 가까운 미래의 양자 컴퓨팅에 대한 예측에 따르면 RSA 암호화는 몇 달 이내에 해독될 수 있으며 고급 양자 컴퓨터는 몇 시간이나 몇 분 이내에 RSA를 해독할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅

양자 컴퓨팅에서 가장 많이 잘못 사용되는 용어는 아마도 ‘포스트 양자 컴퓨팅’, 약어로 ‘PQC’일 것입니다. 이 용어는 ‘포스트 양자 암호화’와 약어가 같기 때문에 혼동될 수 있습니다. 하지만 ‘포스트 양자 컴퓨팅’은 양자 컴퓨터 과학에는 존재하지 않습니다. 양자 컴퓨터는 머신을 가리키는 용어이고 양자 컴퓨팅은 분야와 프로세스를 의미합니다. 매우 유용한 첨단 양자 컴퓨터가 개발되고 오랜 시간이 지나더라도 양자 컴퓨터는 계속해서 양자 컴퓨터이지 포스트 양자 컴퓨터가 되진 않을 것입니다.

양자 암호화

양자 암호화는 포스트 양자 암호화와 같이 양자역학을 기반으로 하지만 PQC와 동일한 암호화 기술이 아닙니다. 양자 암호화에서는 예측 불가 특성을 사용하여 큐비트 자체에 직접 인코딩되는 정보로 데이터를 암호화하고 해독합니다. 현재, 가장 널리 알려진 양자 암호화 버전은 누군가 허가 없이 정보를 해독하려고 시도하면 큐비트 오류를 생성하는 방식으로 데이터를 보호합니다. 이러한 양자 암호화 형태는 마치 출입문이나 창문의 알람 센서와 비슷하게 작동합니다. 무단으로 접근하려고 하면 알람이 울리죠.

PQC(포스트 양자 암호화)

포스트 양자 암호화는 기존의 컴퓨팅 암호화와 마찬가지로 수학적 방정식에 따라 작동합니다. 이 둘의 차이는 바로 방정식의 복잡성에 있습니다. PQC에서는 수학이 양자 속성을 활용해 방정식을 만들기 때문에 풀기가 어렵고, 심지어 양자 컴퓨터라고 하더라도 올바른 해답으로 ‘건너뛸’ 수 없습니다. PQC의 이점 중 하나는 풀기가 매우 어려운 방정식을 기반으로 한다는 점입니다. 현재의 기존 암호화와 같은 기본 구조를 공유하기 때문에 현재 최신 암호와 유사한 방법을 사용하여 배포할 수 있고 현재 시스템의 많은 부분을 보호할 수 있습니다.