[AI] Quantum AI

주식이나 기술에 관심이 많다면 요즘 양자 컴퓨터가 화제라는 것을 알고 있을 것입니다. 구글이 발표한 신형 양자 컴퓨터 칩 ’윌로우(Willow)’는 기존 슈퍼컴퓨터로 10의 25제곱 년이 걸리는 문제를 단 5분 만에 해결할 수 있는 성능을 보여주었는데요, 이처럼 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 독특한 데이터 단위를 사용함으로써 빠른 연산 속도를 자랑합니다. 

 

그렇다면 양자 컴퓨터의 병렬 처리 기능과 AI를 결합하면 어떨까요? 더 빠르고 효율적으로 복잡한 문제를 해결할 수 있게 되며, 암호학, 신약 개발 등의 분야에 큰 영향을 줄 것입니다. 이번 글에서는 양자 컴퓨터에 대한 기본적인 개념과 양자 AI (Quantum AI)에 대해 알아보려고 합니다.

 

양자 컴퓨터 (Quantum Computer)

양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 바탕으로 작동하는 차세대 컴퓨터입니다. 고전 컴퓨터와 가장 큰 차이점은 데이터 단위인데, 고전 컴퓨터는 데이터를 비트(bit) 단위로 표현하며, 0 또는 1의 값을 가집니다. 하지만 양자 컴퓨터는 데이터를 큐비트(qubit)로 표현하며, 0과 1 중 하나가 아닌 두 상태를 동시에 가질 수 있는 양자 중첩 상태를 가집니다. 또한 계산 과정에서 양자 얽힘과 양자 터널링 같은 양자 현상을 활용하고, 특정 문제를 병렬적으로 처리해 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산할 수 있습니다. 

 

양자 중첩 (Superposition)

입자가 동시에 여러 상태에 있을 수 있는 현상을 의미합니다. 고전 물리학에서는 입자가 특정 위치나 상태에 고정되어 있지만, 양자역학에서는 특정 상태로 측정되기 전까지 여러 상태가 겹쳐 있습니다. 예를 들어, 슈뢰딩거의 고양이 실험에서 고양이는 상자 안에서 동시에 “살아있음”과 “죽음” 상태에 있을 수 있고, 우리가 관측을 할 때 둘 중 하나의 상태로 결정(붕괴)되는 것입니다. 

 

이를 컴퓨터로 확장시켜 보면, 일반적인 비트와 달리 큐비트는 0과 1의 중첩 상태를 가질 수 있고, 이때 큐비트의 상태는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다. 

 

$$|\psi\rangle = \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle$$

 

여기서 $\alpha$와 $\beta$는 복소수 계수로, 각각 0 또는 1일 확률의 크기를 나타냅니다 ($|\alpha|^{2} + |\beta|^{2} = 1$)

 

양자 얽힘 (Entanglement)

두 개 이상의 입자가 멀리 떨어져 있어도 한 입자의 상태를 측정하면 다른 입자의 상태가 즉시 결정되는 현상입니다. 빛의 속도보다 빠르게 정보가 전달되는 것이 아니라(communication은 없음!) 말 그대로 한 입자의 상태가 결정되면 다른 입자의 상태가 즉시 결정되는 것으로, 아인슈타인이 "spooky action at a distance"라고 부른 현상입니다. 

 

여러 큐비트가 얽힌 상태(entangled state)가 되면, 이 큐비트들은 강한 상관관계를 가지게 됩니다. 따라서 얽힘 상태에서 한 큐비트를 측정하면 다른 큐비트의 상태도 즉시 결정됩니다. 이를 통해 큐비트 간에 정보를 공유하고 병렬 계산이 가능하며, 고도로 복잡한 문제를 효율적으로 해결할 수 있습니다.

 

 

양자 터널링 (Quantum Tunneling)

불충분한 에너지를 가진 입자가 에너지 장벽을 통과하는 현상을 말합니다. 이를 활용해 복잡한 최적화 문제를 해결할 수 있습니다. 

 

 

양자 간섭 (Quantum Interference)

양자 중첩 상태에서 여러 계산 경로가 간섭을 일으킬 수 있으며, 두 가지로 나뉩니다.

 

• 건설적 간섭(constructive interference): 특정 계산 결과를 강화

• 파괴적 간섭(destructive interference): 불필요한 계산 결과를 상쇄

 

양자 컴퓨터는 간섭을 활용하여 올바른 답을 강화하고, 잘못된 답은 상쇄시키는 방향으로 계산을 최적화합니다. 간섭을 활용한 대표적인 예시로 쇼어 알고리즘과 그로버 알고리즘이 있습니다. 

 

양자 컴퓨터는 이와 같은 양자역학적 원리를 사용해 엄청난 연산 속도를 자랑하는데요, 그렇다면 AI는 어떻게 영향을 받을까요?

 

Quantum AI (QAI)

쉽게 말해 양자 컴퓨터를 활용한 AI입니다. 진정한 게임 체인저는 양자 컴퓨팅, 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Classical Computing), 그리고 AI를 통합하여 복잡한 문제를 해결하는 데 있습니다. 이들의 시너지가 어떻게 작동하는지 살펴보겠습니다.

 

• 양자 컴퓨팅
  양자 컴퓨팅은 기존 컴퓨터로는 효율적으로 처리할 수 없는 최적화 문제 해결이나 양자 시스템 시뮬레이션과 같은 특화된 작업을 처리하는 새로운 수준의 계산 능력을 제공합니다.
  
  
• 고성능 컴퓨팅
  양자 컴퓨터가 현재의 한계로 인해 부족한 부분을 HPC가 보완합니다. 양자 시스템이 특화된 계산을 수행한 후, HPC는 전통적인 알고리즘을 실행하여 양자 데이터를 분석하고 결과를 정제합니다. HPC는 양자 계산 결과를 실행 가능한 통찰로 전환하는 다리 역할을 합니다.
• 인공지능 
  AI는 단순히 이 과정을 보조하는 것에 그치지 않고, 점점 더 독립적인 역할을 수행합니다. AI는 특정 작업을 해결하는 지능형 알고리즘을 제공할 뿐 아니라, 양자 및 고전 컴퓨터 시스템 모두를 개선합니다. AI는 양자 계산의 효율성을 높이고, 고전적 시뮬레이션을 최적화하며, 데이터 분석을 정교화하여 전체 워크플로우를 더 효과적이고 정밀하게 만듭니다.
  

 

이러한 기술들의 통합은 복잡한 문제를 해결하는 데 있어 획기적인 접근 방식을 제공하며, 신약 개발, 물류, 금융 등의 분야에서 기존에는 불가능했던 수준의 결과를 만들어낼 수 있습니다. 하지만 한계점도 존재합니다. 아직 개발 초기 단계에 있기 때문에 하드웨어를 만들고 유지하는(전력 및 냉각) 데 어려움이 있고, 노이즈와 오류에 매우 취약하다는 단점도 있습니다.