양자 컴퓨팅이 실제로 무엇인지, 그리고 그것이 왜 비트코인에 두려운 존재인지에 대한 간단한 설명

이번 주, 구글은 양자 컴퓨터가 이론적으로 비트코인 개인 키를 도출할 수 있는 방법을 설명하는 논문을 발표했습니다 9분, 이더리움, 기타 토큰, 프라이빗 뱅킹, 그리고 잠재적으로 전 세계에 영향을 미치는 파급 효과와 함께

양자 컴퓨팅은 일반 컴퓨터의 더 빠른 버전으로 오해하기 쉽습니다. 그러나 이것은 더 강력한 칩이나 더 큰 서버 팜이 아닙니다. 이는 근본적으로 전혀 다른 종류의 기계로, 원자 자체의 수준에서 다릅니다.

양자 컴퓨터는 매우 차갑고 매우 작은 금속 고리에서 시작되며, 이곳에서 입자들은 지구상의 정상적인 조건에서는 관찰되지 않는 방식으로 행동하기 시작합니다. 이러한 현상은 우리가 기본 물리 법칙으로 여기는 것들을 변화시킵니다.

양자 위협에 대해 읽는 것과 실제로 그것을 이해하는 것의 차이는 물리적으로 그것이 무엇을 의미하는지 아는 데 있습니다.

컴퓨터와 양자컴퓨터가 실제로 작동하는 방식

일반 컴퓨터는 정보를 비트로 저장하며, 각 비트는 0 또는 1 중 하나입니다. 비트는 아주 작은 스위치입니다. 물리적으로는 트랜지스터로 구성된 “칩” 위의 미세한 게이트로, 전기를 통과시키면(1) 그렇지 않으면(0)로 구분됩니다.

모든 사진, 모든 비트코인 거래, 여러분이 지금까지 입력한 모든 단어는 이 스위치들이 켜져 있거나 꺼져 있는 패턴으로 저장됩니다. 비트에는 신비로운 점이 없으며, 이는 두 가지 명확한 상태 중 하나에 있는 물리적 객체입니다.

모든 계산은 본질적으로 이 0과 1을 매우 빠르게 재배열하는 것입니다. 최신 칩은 초당 수십억 개의 계산을 수행할 수 있지만, 여전히 한 번에 하나씩 순차적으로 처리합니다.

양자 컴퓨터는 비트 대신 큐비트라는 것을 사용합니다. 큐비트는 0, 1일 수 있으며 — 그리고 이것이 이상한 점인데 — 동시에 둘 다일 수 있습니다!

이는 큐비트가 완전히 다른 종류의 물리적 객체이기 때문에 가능합니다. 가장 일반적인 버전이자 구글에서 사용하는 것은 절대 영도보다 약 0.015도 높은 온도로 냉각된 초전도 금속의 작은 고리로, 우주 공간보다 훨씬 더 차갑지만 지구에서 구현됩니다.

그 온도에서 전기는 저항 없이 루프를 통해 흐르며, 전류는 양자 상태에 존재하는 것으로 간주됩니다.

초전도 루프에서는 전류가 시계 방향(이를 0이라 함) 또는 반시계 방향(이를 1이라 함)으로 흐를 수 있습니다. 하지만 양자 규모에서는 전류가 한 방향을 선택할 필요 없이 실제로 두 방향으로 동시에 흐릅니다.

두 상태를 매우 빠르게 전환하는 것으로 오해하지 마십시오. 전류는 두 상태 모두에 동시에 측정 가능하고, 실험적으로, 검증 가능하게 존재합니다.

혼을 뒤흔드는 물리학

지금까지 이해하셨나요? 훌륭합니다, 이제부터가 진정으로 이상한 부분입니다. 왜냐하면 이 작동 원리에 대한 물리학적 개념이 즉시 직관적이지 않기 때문이며, 그렇게 되어서는 안 되기 때문입니다.

일상 생활에서 누군가가 상호작용하는 모든 것은 고전 물리학을 따르며, 이는 사물이 한 시점에 한 장소에 있다고 가정합니다. 그러나 입자들은 아원자 규모에서는 이러한 방식으로 행동하지 않습니다.

전자(electron)는 관찰하기 전까지는 명확한 위치를 가지지 않습니다. 광자(photon)는 측정하기 전까지는 명확한 편광을 가지지 않습니다. 초전도 루프 내 전류는 강제로 방향을 결정하기 전까지는 명확한 흐름 방향을 가지지 않습니다.

우리가 일상 생활에서 이러한 현상을 경험하지 못하는 이유는 디코히런스(decoherence) 때문입니다. 양자 시스템이 자신의 환경, 즉 공기 분자, 열, 진동, 빛과 상호작용할 때, 중첩 상태는 거의 즉시 붕괴됩니다.

축구공은 매 나노초마다 수조 개의 공기 분자, 먼지, 소리, 열, 중력 등과 상호작용하기 때문에 동시에 두 곳에 있을 수 없습니다. 그러나 거의 절대 영도에 가까운 진공 상태에서 아주 작은 전류를 격리하고 모든 가능한 방해 요소로부터 차단하면, 양자 현상은 계산할 수 있을 만큼 충분히 오래 지속됩니다.

이것이 바로 양자 컴퓨터를 구축하는 것이 매우 어려운 이유입니다. 연구자들은 이러한 현상이 발생하지 못하게 하는 물리학 법칙들이 계산을 실행하는 데 필요한 최소한의 시간 동안만 억제되는 물리적 환경을 설계하고 있습니다.

구글의 기계들은 거대한 방 크기의 희석 냉각기에서 작동하며, 자연 우주에 존재하는 어떤 것보다도 더 차갑고, 전자기 잡음, 진동, 열복사로부터 차폐된 여러 층으로 둘러싸여 있습니다.

그리고 큐비트는 취약합니다 그럼에도 불구하고. 이들은 양자 상태를 지속적으로 잃어버리기 때문에, 확장성 문제를 논의할 때마다 "오류 수정"이 항상 중심이 됩니다.

따라서 양자 컴퓨팅은 기존의 고전 컴퓨팅의 더 빠른 버전이 아닙니다. 이는 극도로 작은 규모, 극히 낮은 온도, 그리고 매우 짧은 시간대에서만 적용되는 전혀 다른 물리 법칙을 활용하는 것입니다.

이제 그것을 모두 합산해 보십시오.

두 개의 일반 비트는 네 가지 상태(00, 01, 10, 11) 중 하나에 있을 수 있으나, 한 번에 하나의 상태만 가능합니다(전류가 한 방향으로만 흐르기 때문입니다). 반면 두 개의 큐비트는 전류가 모든 방향으로 동시에 흐르므로 네 가지 모든 상태를 한 번에 표현할 수 있습니다.

세 개의 큐비트는 여덟 개의 상태를 나타냅니다. 열 개의 큐비트는 1,024개를 나타냅니다. 오십 개의 큐비트는 1경 이상을 나타냅니다. 추가되는 큐비트마다 수가 두 배로 증가하기 때문에 이 확장성은 지수적입니다.

두 번째 기술은 얽힘(entanglement)이라고 불립니다. 두 큐비트가 얽혀 있을 때, 하나를 측정하면 두 큐비트가 얼마나 멀리 떨어져 있든 상관없이 관찰자에게 다른 하나에 대한 정보를 즉시 전달합니다. 이는 양자 컴퓨터가 기존의 병렬 컴퓨팅으로는 불가능한 방식으로 모든 동시 상태를 조정할 수 있게 합니다.

이 양자 컴퓨터들은 틀린 답변들이 서로 상쇄되도록 설계되어 있습니다(겹치는 파동이 평탄해지는 것과 유사하게) 반면 올바른 답변들은 서로를 강화합니다(파동이 쌓여 높아지는 것과 유사하게). 계산이 완료될 때쯤이면 올바른 답변이 측정될 확률이 가장 높아집니다.

따라서 이것은 단순한 무차별 대입 속도가 아닙니다. 이는 근본적으로 다른 계산 접근 방식으로, 자연이 기하급수적으로 큰 가능성의 공간을 탐색하도록 허용한 후 논리가 아닌 물리학을 통해 올바른 답으로 수렴하게 합니다.

암호학에 대한 중대한 위협

이러한 난해한 물리학이 암호화에 있어 왜 공포스러운지를 설명합니다.

비트코인을 보호하는 수학은 가능한 모든 키를 확인하는 데 우주의 나이보다 더 오랜 시간이 걸릴 것이라는 가정에 기반하고 있다.

하지만 양자 컴퓨터는 모든 키를 하나씩 확인하지 않습니다. 동시에 모든 키를 탐색하고 간섭 현상을 이용하여 올바른 키를 도출합니다.

그 점이 비트코인과 연결되는 부분입니다. 개인 키에서 공개 키로 가는 방향은 밀리초 단위로 이루어집니다. 반대로 공개 키에서 개인 키로 되돌아가는 방향은 고전적인 컴퓨터로는 백만 년, 심지어 우주의 나이보다 더 오래 걸릴 것입니다. 이러한 비대칭성이 바로 한 사람이 자신의 코인을 보유하고 있음을 입증하는 유일한 요소입니다.

쇼어 알고리즘을 실행하는 양자 컴퓨터는 그 트랩도어를 역방향으로 통과할 수 있습니다. 구글이 이번 주 발표한 논문에 따르면, 이전의 어떤 추정보다 훨씬 적은 자원으로 이를 수행할 수 있으며, 비트코인의 블록 확정 시간과 경쟁할 수 있는 시간 내에 가능하다고 밝혔습니다.

이것이 양자 컴퓨터가 블록체인 암호를 깨뜨릴 위협이 실제로 모두를 매우 우려하게 만드는 이유입니다.

해당 공격이 단계별로 어떻게 작동하는지, 구글의 논문이 구체적으로 무엇을 변경했는지, 그리고 이미 노출된 690만 비트코인에 어떤 의미가 있는지에 대해 이번 시리즈의 다음 글에서 다룰 예정입니다.