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– 참고 영상
1. 시공간을 뛰어넘는 양자적 얽힘 : https://youtu.be/i7BwW67fq3M
2. 양자역학의 상보성 원리 : https://youtu.be/stJkccAv4OY
3. 시뮬레이션 우주론 : https://youtu.be/xEuIp5U3vBs
4. 시뮬레이션으로 우주 창조 : https://youtu.be/4e646WKDvWk
5. 시뮬레이션으로 블랙홀 비밀 풀기 : https://youtu.be/Li3xb1f90CU
– 내용 출처
1. Frank Arute et al, “Quantum supremacy using a programmable superconducting processor”, nature, 2019
2. 니시모리 히데토시, 오오제키 마사유키, “1억배 빠른 양자 컴퓨터가 온다.”, 로드북, 2018
3. D-wave 2X quantum `computer technology overview, 2015
4. M.W. johnson et al, “Quantum annealing with manufactured spin, nature, 2011
5. Shohini Ghose, “A beginner’s guide to quantum computing”, 2018 (https://go.ted.com/Co2e)

– BGM : Sappheiros – Lights
#양자컴퓨터 #구글 #시카모어

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구글 “양자 컴퓨터 실제 모습 공개…10년 내 상용화”

2019년 공개한 구글의 양자컴퓨터 ‘시커모어’는 기존 슈퍼 컴퓨터가 1만 년 걸쳐 수행했던 계산을 200초 안에 수행하며 양자우위를 달성했다.

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Source: zdnet.co.kr

Date Published: 10/16/2021

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구글 퀀텀 AI 이준호 박사, 양자 컴퓨팅의 혁신!…분자 에너지 …

양자 컴퓨터(Quantum Computer, 퀀텀컴퓨터)의 엄청난 계산 능력은 실증됐지만, 이의 실용화는 다른 문제로, 결코 간단하지가 않다.

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Source: www.aitimes.kr

Date Published: 10/29/2022

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구글 양자컴퓨터로 신개념 물질 ‘시간 결정’ 첫 구현 – 동아사이언스

구글의 양자컴퓨터 ‘시커모어’를 활용해 시간 결정이라는 특수상태를 구현하는 데 성공했다. 구글 퀀텀AI 제공물질이 외부에서 에너지를 받지 않고도 …

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Source: www.dongascience.com

Date Published: 10/2/2022

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구글 “양자컴퓨터, 환경·에너지 등 多 적용…10년 내 상용화”

구글은 양자컴퓨터 기술을 10년 후 결함없는 수준으로 끌어올려 에너지, 환경, 우주 등 다양한 분야에 적용할 것입니다.” 에릭 루체로 구글 퀀텀 AI 수석 …

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Source: m.sedaily.com

Date Published: 10/22/2021

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구글·IBM 양자컴퓨터 개발 속도…암호기술 전쟁도 뜨겁다

MIT 테크놀로지 리뷰 양자컴퓨터 현실화 되면 現 암호화 체계 무용지물 우려 새로운 보안시스템 위해 美표준연구소 6년간 기술공모 우승후보 15개팀 …

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Source: www.mk.co.kr

Date Published: 11/1/2022

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주제에 대한 기사 평가 구글 양자 컴퓨터

  • Author: 에스오디 SOD
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  • Date Published: 2019. 11. 2.
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구글 퀀텀 AI 이준호 박사, 양자 컴퓨팅의 혁신!…분자 에너지 계산하는 퀀텀 알고리즘 개발

이미지:컬럼비아大

양자 컴퓨터(Quantum Computer, 퀀텀컴퓨터)의 엄청난 계산 능력은 실증됐지만, 이의 실용화는 다른 문제로, 결코 간단하지가 않다. 막대한 동시병렬 계산의 결과는 중첩돼 있기 때문에, 보통으로 읽어 내면 무언가 하나를 남기고 이후 사라져버린다.

따라서 정보의 극히 일부를 읽어내는 것만으로 의미가 있는 것 같은, 양자컴퓨터에 부합하는 문제를 찾을 필요가 있다. 예를 들어, 새로운 물질이나 재료의 시뮬레이션이나 암호해독의 열쇠가 되는 합성수를 소수의 곱으로 나타내는 소인수분해(素因數分解) 등을 들 수 있다.

그러나 현재의 양자컴퓨터로는 그런 계산을 수행할 수 없다. 양자소자는 매우 약해 연산을 반복하는 중에 중첩이 계속 부서져 오류가 발생하기 쉽기 때문이다.

오류를 수정하면서 계산을 계속하는 방법은 알고 있지만 실현은 기술적으로 매우 어려워, 연구자 대부분은 앞으로 10여년 이상 걸릴 것으로 예상하고 있다. 경이적인 계산 능력을 가지고 있지만 계산을 계속해 나갈 수 없는 지금의 어중간한 양자컴퓨터를 사용해 의미 있는 계산을 할 수 있는지를 탐색하는 연구는 계속될 것이다.

이미지:구글 퀀텀 AI

지금으로서는 화학계산과 인공지능(AI) 분야가 유망할 것으로 기대되고 있으며, 전 세계의 대학이나 글로벌 IT 기업, 그리고 다수의 양자 벤처기업이 새로운 용도를 찾아내는 데 전력을 다하고 있다

특히, 양자 컴퓨터는 0 또는 1로 이루어진 기존 컴퓨터의 비트(bit)와는 달리, 0인 동시에 1이 될 수 있는 큐비트(qubit)가 기초다. 큐비트 개수가 많아질수록 정보처리 속도는 비약적으로 높아지고 점점 더 커지고 있지만 추가 컴퓨팅 성능을 활용할 수 있는 실용적인 방법은 거의 없다.

이 과제를 극복하기 위해 고전 컴퓨터에서 양자 컴퓨터로의 전환을 용이하게 하기 위해 컬럼비아대학교(Columbia University)와 구글 양자 인공지능(Google Quantum AI)의 공동연구팀이 현재까지 가장 많은 양자 비트를 사용하여 양자 역학 시스템에서 가장 낮은 ‘바닥상태(基底狀態)의 에너지(ground state energy)’를 계산하는 알고리즘을 개발했다.

컬럼비아大 박사 후 연구원이자 구글 퀀텀 AI 이준호(Joonho Lee) 박사와 컬럼비아大 화학부 데이비드 라이히만(David Reichman) 교수가 주도한 이 알고리즘은 화학 방정식을 처리할 때 양자 비트 또는 큐비트에 의해 생성되는 통계적 오류 또는 노이즈를 줄이는 것이다. 이를 통해 새로운 물질(재료)을 더 쉽게 설계하는 데 도움이 될 수 있다.

구글 양자 칩 ‘시카모어’(사진:본지DB)

이 알고리즘은 구글이 2019년 개발한 0.2입방미리미터(㎣)의 초전도 소자 53개(큐비트)로 구성된 양자 프로세서 ‘시카모어(Sycamore)’를 사용하여 분자의 가장 낮은 에너지 상태인 바닥상태 에너지를 계산했다. 이것은 실제 양자 장치에서 수행된 것 중 가장 큰 양자 화학 계산이다.

구글 퀀텀 AI 이준호 박사는 바닥상태 에너지를 정확하게 계산하는 능력은 화학자들이 새로운 물질을 개발할 수 있게 해줄 것이라며, 이 알고리즘은 다른 지속 가능성 목표 중에서 농업을 위한 질소 고정과 청정에너지를 만들기 위한 가수분해 모두를 가속화하는 물질을 설계하는 데 사용될 수 있다고 말했다.

이 알고리즘은 룰렛(roulette) 게임과 같이 무작위로 알려지지 않은 변수가 많을 때 확률을 계산하는 시스템인 양자 몬테카를로(Monte Carlo)를 사용했다. 여기서 연구팀은 계산을 위해 8 큐비트를 사용하는 헬리오사이드(heliocide, H4), 12 큐비트를 사용하는 분자 질소(N2), 16 큐비트를 사용하는 고체 다이아몬드 등 세 분자의 바닥상태 에너지를 결정하기 위해 알고리즘이 적용됐다.

바닥상태의 에너지는 분자 내 전자의 수, 전자가 회전하는 방향, 그리고 핵 주위를 돌 때 그들이 가는 경로와 같은 변수에 의해 영향을 받습니다. 이 전자 에너지는 슈뢰딩거 방정식으로 부호화된다.

바닥상태 에너지는 분자 내 전자의 수, 전자가 회전하는 방향, 핵 주위를 도는 경로와 같은 변수의 영향을 받는다. 이 전자 에너지는 슈뢰딩거(Schrodinger) 방정식으로 인코딩된다. 기존 컴퓨터에서 방정식을 푸는 것은 분자가 커짐에 따라 기하급수적으로 어려워지지만, 해법을 추정하는 방법은 과정을 더 쉽게 만들었다. 양자 컴퓨터가 기하급수적인 확장 문제를 어떻게 회피할 수 있을지는 이 분야에서는 미해결 문제였다.

2019년 10월 구글을 중심으로 하는 연구 그룹이 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터에서 1만년 걸리는 계산을 양자컴퓨터에서 200초에 실행했다. 사진은 피차이 (Sundar Pichai) 구글 CEO가 개발한 양자컴퓨터 옆에 서있는 모습(사진:본지DB)

원칙적으로 양자 컴퓨터는 슈뢰딩거 방정식을 푸는 데 필요한 것과 같이 기하급수적으로 더 크고 복잡한 계산을 처리할 수 있어야 한다. 왜냐하면 양자를 구성하는 큐비트가 양자 상태를 이용하기 때문이다. 1과 0으로 구성된 2 진수 또는 비트와 달리 큐비트는 두 상태로 동시에 존재할 수 있다.

그러나 큐비트는 취약하고 오류가 발생하기 쉽다. 큐비트가 많을수록 최종 답은 정확도가 떨어진다. 이준호 박사의 이 알고리즘은 기존 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 결합된 능력을 이용해 양자컴퓨터의 오류를 최소화하면서 화학방정식을 보다 효율적으로 풀어낸 것이다.

이 박사는 “이것은 두 세계 모두에서 최고입니다”라며, “우리는 양자 정보 과학에서 최첨단으로 간주되는 도구뿐만 아니라 이미 가지고 있는 도구를 활용하여 양자 계산 화학을 정제화 한 것입니다”라고 밝혔다.

기존 컴퓨터는 연구팀의 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 대부분 처리할 수 있다. 시카모어는 마지막, 가장 계산적으로 복잡한 단계를 위해 뛰어든다. 양자 컴퓨터에 의해 구현될 수 있는 바닥상태 에너지의 수학적 설명에 대한 추론의 시험 파동 함수(a trial wave function)와 몬테카를로의 통계 과정의 일부인 샘플 파동 함수 사이의 중첩 계산으로 몬테카를로 통계 프로세스의 일부다.

이 중첩은 경계 조건으로 알려진 일련의 제약 조건을 몬테카를로 샘플링에 제공하여 계산의 통계적 효율성을 보장한다(아래 영상은 이준호 박사의 ‘양자 컴퓨터를 사용한 편견 없는 페르미온 양자 몬테카를로’웨비나 참조).

이준호 박사는 “바닥상태 에너지를 해결하기 위한 이전 기록은 12큐비트와 변이 양자 아이겐솔버(eigensolver), 즉 VQE(Variational quantum eigensolver)라고 불리는 방법을 사용했습니다”라며, “그러나 VQE는 양자 몬테카를로 알고리즘이 현재 포함하고 있는 바닥상태 에너지를 계산하는데 중요한 변수인 상호작용하는 전자의 영향을 무시했으나 기존 컴퓨터로부터 가상 상관 기술을 추가하는 것은 화학자들이 더 큰 분자를 다루는 데 도움을 줄 수 있을 것입니다”라고 밝혔다.

이 새로운 연구에서 하이브리드 고전-양자 계산은 최고의 기존 방법 중 일부만큼 정확한 것으로 밝혀졌다. 이는 양자컴퓨팅의 중요한 이정표인 양자컴퓨터로 문제를 보다 정확하고 빠르게 해결할 수 있음을 시사한다.

연구팀은 더 효율적인 알고리즘을 만들기 위해 계속해서 알고리즘을 조정할 것이며 더 나은 양자 하드웨어를 만들기 위해 노력할 것이다 더 크고 더 어려운 화학적 문제를 해결할 가능성은 시간이 지남에 따라 높아질 것으로 이는 개발 중인 양자 기술이 실질적으로 유용할 것이라는 확신이라고 밝혔다.

한편, 이연구 결과는 국제 과학 학술지 네이처(Nature) 誌에 ‘양자 컴퓨터를 사용해 페르미온 양자 몬테카를로의 편향 제거(Unbiasing fermionic quantum Monte Carlo with a quantum computer-다운)’란 제목으로 16일(현지시간) 게재됐다. 아울러 새로운 양자 알고리즘 개발을 위해서는 Google Quantum AI의 다양한 오픈 소스 코드 라이브러리(다운)를 참고하면 된다.

구글 양자컴퓨터로 신개념 물질 ‘시간 결정’ 첫 구현

구글의 양자컴퓨터 ‘시커모어’를 활용해 시간 결정이라는 특수상태를 구현하는 데 성공했다. 구글 퀀텀AI 제공

물질이 외부에서 에너지를 받지 않고도 주기적으로 구조를 바꾸는 특수한 상태인 ‘시간 결정(結晶)’이 양자컴퓨터를 통해 처음으로 구현됐다.

베디카 케마니 미국 스탠퍼드대 물리학부 교수 연구팀과 페드람 로샨 구글 리서치 연구원 공동연구팀은 구글의 양자컴퓨터 ‘시커모어’에서 시간 결정을 0.1초간 구현했다고 국제학술지 네이처에 30일(현지시간) 공개했다.

결정은 입자가 규칙적인 주기를 갖고 공간상에 나열된 상태를 말한다. 시간 결정은 물질의 입자가 시간적으로 결정처럼 규칙적으로 일정하게 배열되는 현상을 뜻한다. 시간에 따라 구조 변화가 반복되면서 에너지를 사용하지 않고도 끊임없이 변화를 유지한다.

이 개념은 지난 2004년 노벨 물리학상을 받은 프랭크 윌첵 미국 매사추세츠공대(MIT) 석좌교수가 2012년 이론으로 처음 제시했다. 이후 양자 상태에서 시간 결정 구현이 가능하다는 분석이 제기됐다. 미국 메릴랜드대와 하버드대 연구팀은 2017년 각각 시간 결정을 처음 관찰하는데 성공했다고 네이처에 공개해 존재가 입증됐다. 지난달 4일에는 네덜란드 델프트공대 연구팀이 다이아몬드 속 탄소 결정에서 8초간 800주기로 시간 결정을 구현하는데 성공했다고 국제학술지 ‘사이언스’에 발표하기도 했다.

화살표를 시간의 흐름으로 보고 원자의 스핀 방향(화살표)를 상태로 보면 시간에 따라 규칙적으로 원자의 상태가 변하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 상태를 ‘시간 결정’이라고 한다. 델프트공대 큐테크 제공

연구팀은 구글 퀀텀AI와 협력해 구글의 시커모어 양자컴퓨터의 정보 단위인 큐비트 20개에 움직이는 패턴을 적용해 시간 결정을 구현했다. 큐비트에 레이저를 가해 큐비트 정보를 표현하는 스핀에 움직임을 주면서 시간 결정을 만들 수 있는 상태를 찾는 방식이다. 양자컴퓨터는 하나의 정보 단위에 0 또는 1을 동시에 표현할 수 있어 여러 상태를 동시에 계산할 수 있다. 큐비트 사이 상호작용 강도를 무작위로 지정해 어떤 스핀 상태에서도 시간 결정을 이룰 수 있는 조건을 빠르게 찾게 된다.

연구팀은 양자컴퓨터를 0.1초동안 단 한번만 실행하면 한번에 100만 개 이상의 시간 결정 상태를 분석하는 방법을 고안했다. 이를 찾으면 큐비트를 조정하고 레이저를 한번 쏘아 줘도 에너지를 흡수하지 않고도 영원히 움직이는 시간 결정을 구현한다. 다만 이번 연구에서는 양자컴퓨터가 큐비트를 유지하는 짧은 시간 동안만 시간 결정을 이룬 뒤 외부 상호작용의 영향으로 결정이 풀리는 것을 확인했다.

시간 결정은 양자 중첩 상태를 오래 유지하지 못하고 제어가 어렵던 큐비트를 안정적으로 오래 유지하는데 활용될 수 있을 것으로 기대를 모은다. 구글은 또한 양자컴퓨터가 물리학 이론 연구에 실제로 활용될 수 있음을 보여주는 사례라고 소개했다. 이번 시간 결정은 앞서 델프트공대 연구팀이 만든 시간 결정에 쓰인 9 큐비트보다 2배 이상 많은 큐비트를 활용했다. 로샨 연구원은 “더 많고 더 나은 큐비트를 통해 우리의 접근 방식이 비평형 역학을 연구하는 주요 방법이 될 것으로 본다”고 말했다.

구글·IBM 양자컴퓨터 개발 속도…암호기술 전쟁도 뜨겁다

일명 `양자컴퓨터`로 불리는 구글이 개발한 `시커모어 프로세서`를 장착한 저온 유지 장치. 구글은 시커모어 프로세서가 기존 슈퍼컴퓨터로 1만년에 걸쳐 수행해야 하는 연산을 불과 200초(3분20초) 만에 해결했다고 밝힌 바 있다. [사진 제공 = 구글코리아]

◆ MK 인더스트리 리뷰 ◆매일경제는 매달 미국 ‘MIT 테크놀로지 리뷰’의 영문 기사 중 흥미로운 뉴스를 편집해 독자에게 전합니다. 미국 매사추세츠공대(MIT)에서 발행하는 MIT 테크놀로지 리뷰는 120년 역사의 기술 분석 잡지로, 미래 기술을 분석하고 조망하는 가장 저명하고 신뢰성 있는 매체로 꼽힙니다. 매경은 MIT 테크놀로지 리뷰 한국판(온라인판)을 발행하는 DMK와 제휴를 맺고 주목할 만한 기사를 골라 싣습니다. 정두희 MIT 테크놀로지 리뷰 편집장(한동대 교수·사진)이 기사를 읽고 함께 생각해 볼 만한 화두를 던지는 등 깊이 있는 이해와 분석을 도와 드립니다.구글이나 IBM 같은 글로벌 기업이 ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터를 개발하고 있다. 슈퍼컴퓨터의 수억 배에 달하는 뛰어난 연산 능력을 가진 양자컴퓨터는 인류에게 획기적인 변화를 가져다줄 것으로 기대되는데, 현재 사용 중인 ‘암호화 기술’을 무용지물로 만들 수 있다는 염려도 있다. MIT 테크놀로지 리뷰는 1월호에서 양자컴퓨터라는 최첨단 기술의 ‘창’으로도 뚫을 수 없는 보안 체계(방패)를 만들고 있는 15개 팀을 다뤘다. 흥미진진한 창과 방패 간 대결을 소개한다.현재 온라인뱅킹, 메시지 송수신 등에 사용하는 암호화 정보 보호 장치들이 양자컴퓨터의 발전으로 자칫 무용지물이 될 위기에 처했다. 전통적 컴퓨터는 정보처리에 0과 1의 이진법을 사용하지만, 양자컴퓨터는 큐빗(qubit), 즉 양자 비트(quantum bit)를 사용한다. 큐빗이 가진 특이한 성질 덕분에 양자컴퓨터는 현대 암호화 기술의 토대가 된 수학적 난제를 비롯한 몇 가지 연산 종류에서 압도적 우위를 보여준다.이에 대해 더스틴 무디 미국 표준연구소(NIST)연구원은 “과학자들은 수십 년 전부터 양자컴퓨터를 만들 수 있다면 상당히 복잡한 연산도 해결할 수 있다고 주장했다. 그것은 오늘날 우리가 사용하는 보안 암호 시스템에 위협이 될 것”이라고 말했다. 물론 양자컴퓨터가 현대 암호화 기술을 무력화하는 수준에 도달하기까지는 갈 길이 멀다.그럼에도 불구하고 NIST는 ‘양자 내성(quantum-proof)’이 높은 암호화 표준 구축을 목표로 2016년 공모전을 시작했다. 최종 우승팀은 2022년 발표될 예정이며, 최초 69개 팀에서 15개 팀으로 우승 후보가 좁혀졌다는 중간 결과가 최근 공개됐다.NIST에 따르면 우승 후보 대부분이 ‘양자 후(post-quantum) 암호화’에 대해 동일한 접근법을 취한다. 바로 ‘격자 기반(lattice-based) 암호화’다. 전통 수학 기법으로 데이터를 암호화하는 기존 공개 키 암호 방식은 암호를 풀기 위해 키를 이미 알거나 알아낼 수 있어야 한다. 반면 격자 기반 암호화는 수천 개의 차원을 관통하는 수십억 개의 포인트로 이뤄진 그리드(격자)가 사용된다. 격자 기반 암호의 코드를 해독한다는 것은 이 같은 그리드에 놓인 어느 한 포인트에서 다른 한 포인트로 이동한다는 것을 의미한다. 즉, 처음부터 경로를 알고 있지 않으면 불가능하다.최근 발표된 최종 후보 15개 팀 중 5개 팀은 지금까지 알려진 양자 해답이 없는 격자 접근법을 사용한다. NIST 최신 보고서에 따르면 현재 후보에 오른 알고리즘 중 이 접근법이 ‘가장 유망한 범용 알고리즘’이다.양자컴퓨터가 완성 단계에 이르는 것은 과연 언제일까. 구글은 2019년 기존 컴퓨터로 해결할 수 없는 과제를 양자컴퓨터로 해결하는 ‘양자 우위(quantum supremacy)’를 달성했다고 발표해 세계를 놀라게 했다. 구글은 53비트 양자컴퓨터 ‘시커모어(Sycamore)’로 기존 컴퓨터로 1만년이 걸리는 연산을 200초 만에 끝냈다고 주장했다. 중요한 이정표인 것은 맞지만, 그렇다고 해서 양자컴퓨터의 시대가 열린 것은 아니다. 현실 세계의 중요한 문제들을 해결하는 수준으로 양자컴퓨터가 발전하기 위해서는 앞으로도 10년은 더 있어야 할 것이다.IBM 크리스털(CRYSTALS) 알고리즘 연구에 참여하는 암호학자 바딤 류바셰프스키는 “아직 양자컴퓨터를 활용해 실제 문제를 해결하는 단계에 이르지 못했다”고 말한다. IBM 크리스털 알고리즘 연구팀은 이번 최종 후보에 오른 15개 팀 중 하나다. 그는 “실제 문제 해결에 쓸 수 있을 정도로 양자컴퓨터가 발전하는 데 시간이 오래 걸린다면 열풍은 가라앉고 기업은 NIST가 요구하는 암호화 기술 중 가장 쉽고, 따라서 보안이 약한 기술을 채택할 것이다. 그리고 오랜 시간이 지나 양자컴퓨터가 충분히 발전하면 또다시 보안 문제에 직면할 것”이라고 말했다.우리가 ‘파괴적 기술(Disruptive technology)’이라고 부르는 것들은 공통점이 있다. 첫째, 이전에는 생각하지 못한 방식으로 세상을 바꿨다는 점이고 둘째, 이를 처음 접하다 보니 인류는 한동안 부적응 또는 진통에 시달린다는 점이다. 양자컴퓨팅이 바로 그런 종류다. 큐빗 기반으로 처리되는 양자컴퓨팅은 다양한 분야에 적용돼 산업 역사를 획기적으로 바꿀 것이다. 동시에 놀라운 성능 때문에 그동안 겪지 못한 새로운 문제를 야기할 것이다. 철옹성 같은 보안 시스템이 양자컴퓨팅으로 뚫리는 것이 그 예다. 기술 자체를 잘 발전시키는 것과 동시에 이 기술을 맞이할 사회를 준비하는 것이 우리가 풀어야 할 숙제다.※ 기사 전문은 MIT 테크놀로지 코리아 홈페이지에서 볼 수 있습니다.[정리 = 신찬옥 기자][ⓒ 매일경제 & mk.co.kr, 무단전재 및 재배포 금지]

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