비문학(컴퓨터, 기술)    -최성우:상상은 미래를 부른다.-

● 지문

현재의 컴퓨터인 ㉠디지털 컴퓨터는 실리콘 등의 반도체를 ⓐ기반으로 하여 만들어진다. 즉 반도체 내에서 전자의 흐름을 통하여 정보를 처리하고 저장한다. 1~2년 정도의 일정 기간마다 반도체의 집적도가 2배가 증가한다는 이른바 '무어의 법칙'은 아직도 건재하면서 컴퓨터 성능의 고도화를 이끌어 왔다고 볼 수 있다. 그러나 아무리 고도로 집적한다고 해도 지금의 반도체는 집적도나 처리 속도 등에서 언젠가는 발전의 한계에 다다를 수밖에 없다. 따라서 반도체를 대신할 새로운 방식의 컴퓨터를 개발할 필요성이 날로 높아지고 있는데, 그 대안으로 주목받고 있는 것이 바로 ㉡양자 컴퓨터이다.

양자 역할의 기본 원리를 이용한 양자 컴퓨터는 '꿈의 컴퓨터'로 불린다. 양자 현상을 전산에 이용할 수 있는 가능성이 처음으로 제안된 것은 1982년으로, 유명한 물리학자 리처드 파인만에 의해서였다.

컴퓨터의 기본은 0과 1로 표시되는 2진법 논리 회로이다. 따라서 현재의 디지털 컴퓨터는 스위치를 켜거나(1) 끄는(0) 상태로서 전기가 흐르거나 흐르지 않는 형태로 2진법의 1비트(Bit)를 구현한다. 그러나 물리학의 양자 역학 원리를 이용한 양자 컴퓨터는 기존과는 전혀 다른 원리로서 컴퓨터의 기본 논리를 제시한다. 양자 역학의 불확정성 원리는 서로 다른 특징을 갖는 상태의 중첩에 의해 측정값이 확률적으로 주어지게 되는데, 이를 응용한 양자 컴퓨터에서는 이른바 '큐피트(qbit)'라 불리는 양자 비트 하나로 0과 1의 두 상태를 동시에 표시할 수 있다. 따라서 데이터를 병렬적으로 동시에 처리할 수도 있고, 또한 큐비트의 수가 늘어날수록 처리 가능한 정보량도 기하급수적으로 늘어나게 된다. 즉 2개의 큐비트라면 모두 4가지 상태(00, 01, 10, 11)를 중첩시키는 것이 가능하고, n개의 큐비트는 2의 n제곱만큼 가능하게 되므로, 입력 정보량의 병렬 처리에 의해 연산 속도는 기존의 디지털 컴퓨터와 비교할 수 없을 만큼 빨라진다.

따라서 연산 속도가 기존의 디지털 컴퓨터보다 엄청나게 빨라질 뿐만 아니라 저장 능력 또한 비교가 안 될 정도로 증가한다. 만약 큐비트의 수를 늘려서 10개의 소자를 구현한다면, 2의 10제곱인 1,024개의 서로 다른 연산을 동시에 할 수 있고 메모리 역시 지수적으로 그만큼 증가한다. 뿐만 아니라 양자 컴퓨터의 특징은 처리 시간과 메모리 용량에 그치지 않고, 양자의 중첩 상태를 활용하는 양자 알고리즘의 우수성에도 있다.

수학에서 시간이 오래 걸리는 난문제로 유명한 소인수 분해를 예로 들면, 지금의 컴퓨터로는 250디지트(digit, 2진 단위)의 수를 소인수 분해하는 데 80만 시간이 걸릴 것으로 예상된다고 한다. 만약 1,000디지트의 수라면 10의 25제곱 시간이 필요하다고 하는데, 이는 우주의 나이보다도 더 많은 시간이다. 그러나 양자 컴퓨터로는 몇 십 분 정도면 충분할 것이라고 한다. 또한 해독하는 데 슈퍼컴퓨터로 천 년 정도 걸리는 현대의 암호 체계를 양자 알고리즘의 양자 컴퓨터는 단 몇 분 만에 해독할 수 있다고 한다. 따라서 양자 컴퓨터가 실용화되면 기존의 암호 체계는 무용지물이 될 것으로 보는 사람들도 많다.

이러한 양자 컴퓨터의 개발은 아직은 초기 단계로서 이론적 가능성의 확립과 시제품의 실험 제작을 모색하는 정도이다. 현재 양자 알고리즘은 몇 가지가 개발되어 응용되고 있긴 하지만, 측정 과정에서 기존 컴퓨터에 비해 주위 환경에 민감하게 반응해 측정값이 달라지는 양자 간섭 현상을 제어할 수 있는 기술의 개발 및 양자 컴퓨터용 소자를 실제로 구현하는 것이 양자 컴퓨터의 성공을 위한 관건이다. 그러나 언젠가 양자 컴퓨터가 실용화되면 또 한 번의 엄청난 컴퓨터 혁명을 몰고 올 것이다.

 

● 단락의 요지 파악하기

→ 디지털 컴퓨터의 대안으로 주목받는 양자 컴퓨터

→ 양자 컴퓨터의 기본 원리

→ 양자 컴퓨터의 우수성

→ 양자 컴퓨터의 빠른 연산 속도

→ 양자 컴퓨터의 개발 현황

 

● 정리하기

주제 ⇒ 디지털 컴퓨터의 대안으로 주목받는 양자 컴퓨터의 원리와 우수성

특성

  1) 해제 : 반도체를 기반으로 하는 현재의 디지털 컴퓨터는 발전의 한계에 다다를 수밖에 없지만, 양자 역학의 기본 원리를 이용한 양자 컴퓨터는 큐비트의 수에 따라 처리할 수 있는 정보량도 기하급수적으로 늘어날 수 있다. 이 글은 양자 컴퓨터가 아직 개발의 초기 단계이지만 머지 않아 실용화될 경우 컴퓨터의 혁명을 몰고 올 것이라고 예상하고 있다.

   2) 독해

     * 슈뢰딩거의 고양이 → 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 설명한 이론으로, 밀폐된 상자 속에 독극물과 함께 있는 고양이의 생존 여부를 이용하여 양자 역학의 원리를 설명한 것이다. 상자 속 고양이의 생존 여부는 그 상자를 열어서 관찰하는 여부에 의해 결정되므로 관측 행위가 결과에 영향을 미친다는 것을 이 이론을 통해 설명하였다. 그 내용은 다음과 같다. 어떤 고향이가 밀폐된 상자 안에 갇혀 있다. 상자 안에는 1시간에 2분의 1의 확률로 1개씩 분해되는 알파 입자(알파 붕괴 때 나오는 헬륨의 원자핵) 가속기가 있고 청산가리 통이 들어 있다. 만약 알파 입자가 방출되어 청산가리 통의 센서가 그것을 감지하면 청산가리 통은 깨지고 고양이는 죽고 만다. 1시간 후 과연 고양이는 죽었을까, 살았을까?

알파 입자는 미시 세계의 것이고 양자 역학으로 서술된다. 그것이 거시 세계의 고양이를 죽이느냐 살리느냐의 기로에 놓여 있는 것이다. 각 물리학적 입장에 따라 고양이가 죽었을까 살았을까에 대한 답변은 다르다. 고전 역학자들은 실재론자들이며 우리가 그것을 확인하든 안 하든 고양이는 죽었거나 안 죽었거나이다. 1시간 후의 일은 어떻게든 결정되어 있으며 그것은 관찰과 무관하다고 주장할 것이다. 하지만 양자론자들은 관측에 지배받는다고 이야기한다. 고양이는 죽었거나 살았거나이고 우리가 그것을 열어봤을 때에만 의미를 지닌다. 즉, 그것의 결과는 관측에 의존한다. 즉, 양자 역학에서 관측 행위는 결과값에 항상 영향을 준다는 것을 알 수 있다.

 

   3) 어휘 풀이

     * 집적도 → 한 변이 수 밀리미터인 칩 위에 반도체 기술을 이용하여 회로를 구성할 때에 칩 당

                                         소자(素子)의 수

     * 무어의 법칙 → 고든 무어라는 연구원이 마이크로 칩의 용량이 매년 2배가 될 것으로 예측하며 만든

                    법칙으로, 1975년 24개월로 수정되었고, 그 이후 18개월로 정의되었다. 이 법칙은 컴퓨터의

                   처리 속도와 메모리의 양이 2배로 증가하고, 비용은 상대적으로 떨어지는 효과를 가져왔다.

     * 큐비트 → 양자 역학에서, 고전 역학의 비트(bit)에 해당하는 정보의 단위

     * 알고리즘 → 어떤 문제의 해결을 위하여, 입력된 자료를 토대로 하여 원하는 출력을 유도하여 내는

                       규칙의 집합

 

● 출제 문항

1.  위 글을 읽고 과학 잡지에 기사를 쓴다고 할 때, 표제로 가장 적절한 것은?      

   ① 연산 속도와 저장 능력의 혁명, 양자 컴퓨터

   ② 파인만이 제안한 '꿈의 컴퓨터', 양자 컴퓨터

   ③ 양자 역학과 컴퓨터 기술의 접목, 양자 컴퓨터

   ④ 양자 알고리즘을 이용한 획기적 기술, 양자 컴퓨터

   ⑤ 눈앞으로 다가온 디지털 컴퓨터의 미래, 양자 컴퓨터

 

2. 위 글을 읽은 후 나올 수 있는 독자들의 반응으로 적절하지 않은 것은?         

   ① 양자 컴퓨터가 실현되면 앞으로는 인터넷 뱅킹을 이용할 때 느끼는 불안감이 사라지겠군.

   ② 양자 컴퓨터에서 큐비트의 수가 늘어나면 처리 속도의 효율성이 기하급수적으로 증가하겠군.

   ③ 양자 컴퓨터가 실현되면 현재 사용되고 있는 USB 등의 외부 저장 장치가 사라질 수도 있겠군.

   ④ 양자 컴퓨터가 실현되면 기존 암호 체계를 바꾸는 데 드는 사회적 비용이 엄청나게 늘어나겠군.

   ⑤ 양자 컴퓨터가 실현되면 기존 컴퓨터의 복잡한 연산 처리 과정을 빠른 시간 안에 해결할 수 있겠군.

 

3. 위 글의 내용을 토대로 ㉠과 ㉡의 차이점을 아래와 같이 정리했을 때, 적절하지 않은 것은?

 

항목

데이터 처리 단위

디지트

큐비트

테이터 측정값의 성격

고정적

확률적

데이터 처리 방식

직렬적

병렬적

데이터 처리 속도

반도체의 집적도에 따라 증가

큐비트의 수에 따라 증가

데이터 처리 기반

전자의 흐름

양자의 중첩

 

4. ⓐ의 '으로'와 쓰임이 가장 유사한 것은?

   ① 회원으로 가입하다.                                                          ② 톱으로 나무를 베다.

   ③ 미국으로 여행을 떠나다.                                                   ④ 자식을 훌륭한 사람으로 키우다.

   ⑤ 동생으로 하여금 집안일을 보게 하였다.

<정답> ①①①②

 

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