컴퓨터 프로세서 성능이 약 2년마다 2배가 된다는 무어의 법칙에 이어 네븐의 법칙( Neven’s Law)은 양자 컴퓨팅의 폭발적인 ‘이중지수( Double Exponential)’성장을 보여주고 있다.

퀀타 메거진(Quanta Magazine)에 따르면 미국 캘리포니아주 산타바바라에있는 구글(Google) 퀀텀AI(Quantum AI) 연구소 딜렉터 하트무트 네븐(Hartmut Neven)은 구글 양자 프로세서 성능 향상이 지수의 두 배로 증가할 수 있다. 실용 양자 컴퓨팅 시대가 곧 열릴 수 있다는 의미다.

네븐팀은 일반 노트북을 사용해 양자 프로세서 연산을 2018년 12월 구현, 1월에는 개선 된 양자 칩에 대해 동일한 테스트를 실시했다. 이번에는 결과를 시뮬레이션하기 위해 강력한 데스크톱 컴퓨터를 사용했다.

2월에는 양자칩을 시뮬레이션 할 수 있는 고전적인 컴퓨터가 없었다. 막대한 서버 네트워크를 위해 더 많은 퀀텀이 필요했다. 백만 개의 프로세서로 구성된 작업을 통해 구글 퀀텀 프로세서는 두 배 이상 기하급수적 성장을 했다.

양자 컴퓨팅 속도

구글 연구원들은 고전 컴퓨팅을 무어 법칙에 비유해 네븐의 법칙이라고 부르기 시작했다. 이는 단순한 양자 시대 무어의 법칙의 전환에서 그치지 않는다. 네븐의 법칙은 우리가 불과 몇 개월 안에 새로운 세계가 열릴 수 있음을 보여준다.

지난 10년 동안 컴퓨터 과학자와 엔지니어는 갑작스럽게 진행 상황을 예상했다. 무어의 법칙은 실리콘 트랜지스터가 2년마다 약 절반으로 줄어든다는 법칙으로 최근 2년간 작동하지 못하고 있다.

이 법칙은 다양한 크기의 칩에 점점 더 많은 트랜지스터를 심는 것으로 가능했다. 처음에는 메인 프레임 서버에 이어 개인용 컴퓨터, 모바일 기기 개발에 핵심적 역할을 했다. 2년마다 컴퓨터 칩의 각 세대에서 처리 능력이 두 배로 증가한 결과, 펀치 카드 컴퓨터에서 아폴로 우주비행선 비행 경로 계산에 이어 인터넷, 모바일 스마트 기기 발달까지 10여년간 세 번의 혁신으로 이어졌다. 50년 이내에 중국 도시 전체 서비스 인프라를 운영 할 수 있는 신경망도 그중 하나다.

실리콘 트랜지스터의 발명과 인류의 기술적 도약은 역사상 최대의 혁신이었다. 과학기술의 발견과 발명은 경험적으로 너무나 빠르게 변했다. 이러한 변화 속도가 영원히 지속될 수 없다는 지적이 10년 전부터 있었다. 트랜지스터가 7나노미터 길이로 줄어들면서 엔지니어들은 벽이 원자 두께 정도의 채널에 전기 전하가 흐르도록 경쟁하고 있다.

트랜지스터를 더 작게 만들면 전자 흐름을 포함, 원자가 시간이 지남에 따라 흐트러진 후에 프로세서의 계산과 논리에 전력을 공급하는 전류가 채널을 점프하거나 구성 요소 밖으로 누출된다. 전자가 새어 나올수록 그 전자 부품은 빨리 마모되고 오류 발생률이 높아져서 프로세서의 성능도 저하된다. 프로세서 크기를 줄여 부품을 안정화 할 수 없어 실리콘 칩은 물리적 한계에 도달했다는 지적이 나오는 부분이다.

원자 규모를 사용해 더 빠른 컴퓨터를 만들 수 없다면 어떻게 될까.

과학자들과 엔지니어들은 필연적으로 다음 단계를 밟아 양자역학에서 원자보다 작은 양자 세계로 관심을 돌렸다. 양자 세계는 고전 세계와 전혀 달랐다. 아원자(sub atomic) 입자는 받아들이기 어려운 방식으로 거동했다. 쌍을 이루는 입자가 우주의 반대쪽에 있더라도 순간적 양자얽힘에 따른 통신 가능성 등 고전 물리학 법칙과는 달랐다.

양자세계

슈레딩거(Schroedinger)는 코펜하겐 해석인 ‘양자역학 불확정성 이론’의 믿기힘든 특성을 설명하기 위해 동시에 살아 있고 죽 어있는 상자 안 고양이에 관한 ‘슈레딩거의 고양이’사고실험을 제안했다. 슈뢰딩거의 고양이는 관찰자가 상자를 열기 전에 실제로 동시에 살았거나 죽은 중첩(superposition)상태라는 설명이다. 양자세계는 순수 무작위 방식으로 작동하며 고양이의 궁극적 상태는 관측 순간 전적으로 우연히 결정된다는 것을 그는 믿을 수 없었다.

입자 중첩은 양자 컴퓨터의 기반 이기도 하다.

퀀텀비트(Quantum bite) 또는 큐비트(Qbit)라고 하는 중첩된 입자를 조작하면 고전적인 컴퓨터보다 훨씬 적은 비트로 양자 메모리에 훨씬 많은 데이터가 포함될 수 있다. 큐비트의 연산은 큐비트가 취할 수 있는 모든 가능한 값에 적용 된다. 이러한 큐비트가 다른 상호의존 큐비트와 쌍을 이루면 훨씬 적은 시간에 보다 복잡한 논리 연산을 수행 할 수 있다.

양자 컴퓨팅은 고전 프로세서에 비해 처리 속도가 현저하게 향상 될 가능성이 크지만 아직은 과장(hype)단계다.

2조5000억년 걸릴 문제 2~5년내 해결

양자 컴퓨팅은 1970년 이래로 여러 해에 걸쳐 학술 논문 등 여러 가지 방법으로 제시됐다. 반면 실제로는 그런 시스템을 구현할 수 없었다. 실질적인 목적에 활용할 수 있을 것이라는 기대가 없었고 관련 연구에 펀딩을 받기도 힘들었다.

1994년 수학자 피터 쇼어(Peter Shor) 논문은 전환점을 제시했다. 쇼어는 근대 RSA 암호학의 기초가 되는 다루기 힘든 수학 문제, 즉 정수의 소수 분해 문제를 제시하는 알고리즘을 만들었다. 수천 자릿수의 정수를 인수 분해하는 것은 고전적인 컴퓨터 프로세서들로 효율적으로 처리하기 어려웠다. 필요한 알고리즘이 알려지지 않았거나 존재하지 않았다. 컴퓨터가 더욱 강력해지면서 256비트, 512비트 및 더 높은 비트 수 암호화 키를 해독 할 수 있었다.

고전 컴퓨터는 관련 숫자가 증가함에 따라 이러한 문제를 해결할 때 기하급수적으로 나아지지 않았다. 결국 고전적인 컴퓨터 용량을 넘어서는 방안이 몇 가지 나왔다. RSA 암호화 키를 길게 늘리면 고전 컴퓨터를 사용해 암호화 키를 해독하는 데 필요한 시간에 수백만, 수십억 및 심지어 수조까지 추가 할 수 있다.

쇼어는 큐 비트의 중첩을 사용하면 인수 분해 문제를 훨씬 빠르게 해결할 수 있는 가능성을 제시했다. 가장 까다로운 RSA 암호화를 푸는 데 아직 오랜 시간이 걸릴지 모르지만 고전 컴퓨터로는 2조 5000억 년 문제를 양자 컴퓨터에서는 2~5년 만에 해결할 수 있다는 것.