“양자컴퓨터는 가능한 모든 답을 한꺼번에 계산합니다.”
이 말은 양자컴퓨팅을 설명할 때 가장 자주 나오는 문장입니다. 그래서 많은 사람이 이렇게 생각합니다.
“큐비트가 0과 1을 동시에 가지니까, 모든 경우를 한꺼번에 시험하고 그중 정답을 고르는구나.”
하지만 이 설명은 절반만 맞습니다. 그리고 그 절반의 오해가 양자컴퓨터를 ‘만능의 빠른 기계’로 만드는 주된 이유입니다.
큐비트는 중첩 상태에 있을 수 있습니다. 큐비트 하나는 0이 될 가능성과 1이 될 가능성을 함께 담을 수 있습니다.
큐비트가 두 개라면, 00, 01, 10, 11이라는 네 가지 결과의 가능성을 담을 수 있습니다. 큐비트가 세 개라면 여덟 가지, 열 개라면 1,024가지 결과의 가능성을 담을 수 있습니다.
여기서 사람들은 이렇게 생각합니다.
“그럼 큐비트가 많으면 가능한 모든 답을 한꺼번에 계산할 수 있겠네?”
맞는 부분은 큐비트가 많아질수록 표현할 수 있는 상태의 종류가 매우 빠르게 늘어난다는 점입니다.
틀린 부분은 그 상태들을 모두 읽어낼 수 있다는 생각입니다.
양자컴퓨터가 아무리 많은 가능성을 담고 있어도, 마지막에 큐비트를 측정하면 결과는 하나입니다.
예를 들어 큐비트 3개가 여덟 가지 가능성을 담고 있다고 해봅시다. 계산이 끝난 뒤 측정하면, 000부터 111까지 여덟 가지 중 하나의 결과만 나옵니다.
000과 001과 010을 동시에 볼 수는 없습니다. 측정이라는 행위는 양자 상태를 하나의 결과로 바꿉니다.
그래서 “모든 답을 한꺼번에 계산한다”는 말은, “모든 답을 한꺼번에 얻는다”는 뜻이 아닙니다.
핵심은 간섭입니다.
양자 알고리즘은 계산 과정에서 큐비트의 상태를 조작합니다. 이때 원하는 답이 나올 가능성은 키우고, 원하지 않는 답이 나올 가능성은 줄이도록 만듭니다.
비유하자면, 여러 파도가 있을 때 특정 파도만 키우고 나머지는 상쇄시키는 것과 비슷합니다. 마지막에 측정했을 때, 우리가 원하는 답이 나올 확률이 높아지도록 만드는 것입니다.
그래서 양자컴퓨터는 “모든 답을 계산해서 고르는 기계”라기보다, 답이 나올 확률을 조정하는 기계에 가깝습니다.
양자컴퓨터가 유리하려면 몇 가지 조건이 필요합니다.
문제를 양자 알고리즘으로 표현할 수 있어야 합니다.
그 알고리즘이 일반 컴퓨터보다 유리한 방식으로 작동해야 합니다.
현재의 오류와 안정성 한계 안에서 실제로 실행할 수 있어야 합니다.
즉, 양자컴퓨터가 빠를 수 있는 문제는 아무거 나가 아니라, 양자 알고리즘이 잘 맞는 특정 문제입니다.
일반 컴퓨터가 잘하는 일, 예를 들면 문서 작성, 영상 재생, 웹서핑, 일반적인 데이터 처리에는 양자컴퓨터가 더 나을 이유가 없습니다.
오해: 양자컴퓨터는 가능한 모든 답을 한꺼번에 계산한다.
사실: 큐비트는 여러 가능성을 담을 수 있지만, 측정 결과는 하나다.
오해: 큐비트가 많으면 모든 답을 한꺼번에 얻을 수 있다.
사실: 큐비트 수가 많아도 측정으로 얻는 결과는 하나다.
오해: 양자컴퓨터는 모든 문제에서 일반 컴퓨터보다 빠르다.
사실: 양자컴퓨터는 특정 문제와 특정 알고리즘에서 이점을 가질 수 있다.
오해: 양자컴퓨터의 강점은 답을 많이 계산하는 데 있다.
사실: 양자컴퓨터의 강점은 간섭을 이용해 원하는 답이 나올 확률을 높이는 데 있다.
“양자컴퓨터는 여러 갈래 길을 동시에 걷는다”는 비유를 자주 봅니다. 이 비유는 중첩을 떠올리게 하는 데는 도움이 됩니다.
하지만 길을 걷는 사람은 결국 한 곳에 도착합니다. 양자컴퓨터도 마찬가지로 측정하면 하나의 결과를 얻습니다.
중요한 것은 여러 길을 동시에 걷는다는 말이 아니라, 여러 가능성이 서로 간섭하면서 결과의 확률이 달라진다는 점입니다.
다음 질문에 답해보세요.
양자컴퓨터가 여러 가능성을 담고 있어도, 측정 결과는 왜 하나일까요?
양자컴퓨터가 유리하려면 어떤 조건이 필요할까요?
“모든 답을 한꺼번에 계산한다”는 말의 어떤 부분이 오해를 만들까요?
다음 편에서는 간섭을 더 자세히 살펴봅니다.
양자 알고리즘이 어떻게 원하는 답의 확률을 키우고, 원하지 않는 답의 확률을 줄이는지 알아보겠습니다.