양자 컴퓨터는 새로운 종류의 컴퓨터입니다. 일반 컴퓨터는 메모리를 비트로 저장합니다: 0과 1. 양자 컴퓨터는 메모리를 큐비트로 저장합니다: 위, 아래, 옆, 그리고 그 사이의 모든 방향(전체 가이드는 여기). 이는 컴퓨팅을 위한 완전히 새로운 언어이며, 일부 작업에 훨씬 더 강력한 것으로 드러납니다.
그래서 양자 컴퓨터는 정확히 무엇을 할 수 있을까요? 매달 새로운 응용을 발견하고 있습니다. 오늘날 영향력 상위 3개는:
- 1
화학
계산 화학 공장
수천 년 대신 몇 분 만에 새 분자를 설계.
- 2
보안
전 세계 복호기
인터넷의 모든 안전 프로토콜이 위험에 처해 있습니다.
- 3
최적화
실시간 비즈니스 최적화기
불가능한 일정 문제 해결.
계산 화학 공장
AI에게 공기보다 가볍고, 강철보다 강하고, 핫 핑크인 새로운 우주 시대 합금을 발명하라고 요청하면 20초 안에 화학식을 들고 올지도 모릅니다.
그러나 그것이 맞는지 검증하는 것이 문제입니다. 고전 컴퓨터에서 재료 속성 검증은 지수 문제이며, 이는 중간 크기 분자에도 수년이 걸릴 수 있다는 뜻입니다. 너무 어려워서 정확히 풀린 가장 큰 분자는 벤젠(C6H6)이며, 그리 큰 분자도 아닙니다. 원자를 더할 때마다 복잡도가 기하급수적으로 증가합니다.
왜 그렇게 어려운가
분자의 속성을 결정하려면 전자 구조가 필요합니다: 전자가 원자 주위에 어떻게 분포되어 있는지.
구체적인 예: 파란 OLED. OLED 분자는 휴대폰 화면의 각 픽셀을 밝히는 것입니다. 전류를 흘리면 특정 파장의 빛을 방출합니다.
파란색은 비효율적이기로 유명합니다. 빨강과 녹색보다 빨리 닳기 때문에 시간이 지나면 휴대폰 화면이 어두워지고 색이 변합니다. 그래서 화학자가 깨끗한 파란 빛을 방출하는 새 분자를 제안하면 제조에 투입하기 전에 검증하고 싶습니다.
분자가 방출하는 빛의 색이나 효율을 예측하려면 전자의 가능한 모든 배치와 각각의 가능성을 예측해야 합니다.
전자 배치의 예가 아래에 표시됩니다. 각 “덩어리”는 전자가 발견될 가능성이 있는 영역입니다.
왜 이것이 느린가요? 전자는 퍼즐 조각처럼 함께 맞춰집니다. 그들은 서로 밀어내므로, 하나가 핵에 가까이 움직이면 다른 하나는 멀리 움직여야 합니다. 가장 안정한 배치를 찾는 것은 엄청난 수의 배열을 테스트하고 전자가 너무 가까이 밀집되지 않은 것을 확인하는 것을 의미합니다.
물리학자들은 수십 년 동안 이를 깎아 왔습니다. 점진적인 속도 향상에 대해 여러 노벨상이 수여되었습니다. 그러나 무거운 원소 하나라도 관여하면 ~20개 이상의 원자를 가진 분자에 대해 어떤 알고리즘도 풀 수 없습니다(납 같은 더 무거운 원소는 더 많은 전자를 가지므로 탐색 공간이 폭발합니다).
할 수 있다면?
이것이 그렇게 느리지 않다면 계산 화학 공장을 만들 수 있습니다: 하루에 수십억 개의 후보 분자를 테스트하고 최고를 찾을 수 있습니다.
🔋
10년짜리 배터리
🛣️
절대 갈라지지 않는 고속도로
☀️
암 위험 없는 자외선 차단제
이것이 제가 살고 싶은 세상입니다. 불행히도 고전 컴퓨터에서는 일어날 수 없습니다. 그 계산은 진정으로 너무 오래 걸립니다.
양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 전자 배치를 테스트할 수 있습니다. 그들은 계산 화학 공장을 가능하게 할 것입니다. 이는 1조 달러 기회입니다.
전 세계 복호기
인터넷은 기기 간 트래픽을 암호화하기 때문에 안전합니다. 그 암호화의 큰 부분은 RSA라는 프로토콜에 의존합니다.
모든 암호화 알고리즘은 몇 가지 가정에 의존합니다. RSA의 가정 대부분은 괜찮습니다. 하나만 빼고:
가정
인류가 만든 가장 빠른 슈퍼컴퓨터에서 작동하는 최고의 고전 알고리즘으로 2048비트 숫자를 두 소수 인수로 인수분해하는 데 약 1015년(1천조 년)이 걸립니다. 이는 우주 나이의 약 70,000배입니다.
양자 컴퓨터는 그러한 숫자를 쉽게 인수분해할 수 있는 것으로 드러납니다. 그래서 양자 컴퓨터는 인터넷 트래픽을 복호화할 수 있습니다.
그들은 그 이상을 깰 수 있습니다. 소프트웨어를 다운로드할 때, 여러분의 컴퓨터는 그것이 Microsoft, Adobe, 또는 Apple 같은 알려진 개발자가 서명했는지 확인합니다. 그 서명 검사도 인수분해가 실행 불가능하다는 데 의존합니다. 충분히 큰 양자 컴퓨터를 가진 사람은 누구나 Microsoft인 척 소프트웨어에 서명할 수 있고 여러분의 기계는 그것을 신뢰할 것입니다. 코드 서명, 은행 인증서, VPN 키, SSH 접근, 그리고 매일 생각하지 않는 대부분의 암호 보장에 대해 같은 위협입니다.
이는 실제이고 활발한 세계 보안 우려입니다. 많은 회사가 양자 내성 암호로 마이그레이션하고 있습니다: 양자 공격에 저항하도록 설계된 알고리즘. 일부는 빠르게 움직입니다. 대부분은 충분히 빠르게 움직이지 않습니다.
실시간 비즈니스 최적화기(잠재적으로)
기업은 매우 비효율적입니다. 발전된 곳은 자원을 더 잘 할당하기 위해 최적화 알고리즘을 사용합니다. 몇 가지 예:
- 투자 회사는 어디에 돈을 둘지 결정하기 위해 포트폴리오 최적화를 사용합니다.
- 하드웨어 회사는 공급망을 최적화 문제로 바꿉니다.
- 운송 회사는 고객을 행복하게 하기 위해(그리고 더 자주 돈을 절약하기 위해) 라우팅과 일정 문제를 풉니다.
이러한 최적화 대부분은 며칠, 때로는 몇 년이 걸립니다. 실시간으로 할 수 없습니다. 실제로 대부분의 기업은 끝나기를 기다리지도 않습니다. 정해진 시간 후에 잘라내고 그 시점에 가장 좋은 답을 가지고 출시합니다. 그것이 테이블에 돈을 남깁니다.
솔직한 주의사항
양자 컴퓨터는 최적화를 훨씬 빠르게 할 수도 있습니다. 그러나 보장은 없습니다. 그것이 이 분야의 문제입니다: 실제로 하드웨어에서 시도해 보기 전에는 최적화 방법이 더 낫다는 것을 증명하는 것이 거의 불가능합니다. 대부분의 연구자는 이것이 결실을 맺을지 보려면 더 큰 양자 컴퓨터를 기다려야 한다고 믿습니다.
다음은?
양자 컴퓨팅은 여전히 갈 길이 멉니다. 그러나 그것은 계산 화학 공장, 전 세계 복호기, 실시간 비즈니스 최적화기를 함께 가져옵니다.