양자컴퓨터 원리와 슈퍼컴퓨터 차이점 미래 전망

양자컴퓨터의 작동 원리와 슈퍼컴퓨터와의 차이 및 미래 산업 응용 전망을 이해하는 것은 이제 단순한 과학적 호기심을 넘어 생존의 문제로 다가오고 있습니다. 이재명 정부가 미래 먹거리 7대 씨드 프로젝트 중 하나로 양자컴퓨터를 선정한 이유도 명확합니다.

기존의 디지털 문법으로는 도저히 해결할 수 없는 복잡한 문제들을 한순간에 풀어낼 '게임 체인저'가 바로 이곳에 있기 때문입니다.

우리가 흔히 쓰는 컴퓨터가 0과 1이라는 명확한 이분법적 세계에 갇혀 있다면, 양자컴퓨터는 그 경계를 허물고 '중첩'이라는 기묘한 상태를 이용해 연산의 차원을 달리합니다. 결론부터 말씀드리면, 양자컴퓨터는 모든 계산을 다 잘하는 만능 기계가 아니라, 특정 종류의 복잡한 최적화 문제에서 슈퍼컴퓨터를 압도하는 특화된 엔진입니다.

오늘 이 글을 통해 양자라는 낯설지만 강력한 세계가 우리의 미래 산업을 어떻게 재편할지 깊이 있게 들여다보겠습니다.

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양자컴퓨터의 정의와 중첩의 미학

0과 1의 경계를 허무는 45도 편강의 비밀

우리가 사는 디지털 세상은 냉정합니다. 남자 아니면 여자, 상하, 좌우, 앞뒤처럼 모든 것이 0과 1로 명확히 구분되어야만 돌아갑니다. 법정 드라마에서 변호사가 증인에게 "예, 아니오로만 답하시오"라고 몰아붙이는 장면은 우리 시대 디지털 논리의 정수라고 할 수 있습니다. 하지만 자연의 근본 원리인 양자 역학의 세계로 들어가면 이 상식은 보기 좋게 깨집니다. 아주 작은 원자나 분자 단위에서는 0이면서 동시에 1일 수 있는, 즉 두 상태가 공존하는 '중첩'이 가능하기 때문입니다.
이 개념이 워낙 비직관적이다 보니 물리학자들은 직접 실험 도구를 들고 나옵니다. 빛의 진행 방향에 따라 수평 편강판과 수직 편강판을 90도로 겹쳐놓으면 빛은 완전히 차단되어 깜깜해집니다. 당연한 결과죠. 그런데 놀랍게도 이 사이에 45도로 기울어진 편강판을 끼워 넣으면, 안 보이던 빛이 다시 통과하며 뒤편의 사물이 보이기 시작합니다. 45도 편강은 수평도 수직도 아닌 상태인 동시에, 역설적으로 두 상태를 모두 포함하고 있는 중첩의 상태이기 때문입니다.
이 장면을 직접 목격하면 "이게 왜 보이지?"라는 경이로움과 함께 디지털의 한계를 실감하게 됩니다. 중첩은 단순히 0과 1 사이의 모호한 중간 지점을 말하는 것이 아니라, 두 가지 가능성이 동시에 살아 움직이는 역동적인 상태를 의미합니다. 이것이 바로 양자컴퓨팅의 첫 번째 단추이자, 우리가 기존의 논리 체계를 잠시 내려놓고 '양자 문해력'을 길러야 하는 이유입니다.

주머니 속 사과와 귤, 관측 전까지는 하나가 아니다

양자 역학을 설명할 때 빠지지 않는 것이 바로 주머니 속 과일 비유입니다. 보통의 상식으로는 주머니에 사과나 귤 중 하나가 들어 있다면, 우리가 열어보기 전에도 이미 그 안에는 사과나 귤 중 하나가 '확정'되어 들어 있습니다. 하지만 양자의 세계에서는 다릅니다. 주머니를 열어 관측하기 전까지는 사과인 상태와 귤인 상태가 동시에 존재합니다. "양자역학은 들을 때는 이해한 듯한 느낌을 주지만 이해하지 마세요, 이해하려고 하면 더 힘들어요"라는 물리학자의 조언은 결코 농담이 아닙니다.
이 기묘한 현상을 두고 '슈뢰딩거의 고양이'가 죽었는지 살았는지를 따지는 논쟁이 100년 넘게 이어져 왔습니다. 중요한 것은 우리가 상태를 확인하는 순간 중첩이 깨지고 하나의 결과로 고정된다는 사실입니다. 이는 마치 남녀 관계에서 상대방의 마음을 묻는 과정과도 흡사합니다. 질문을 던지기 전까지는 사랑과 미움, 확신과 망설임이 복잡하게 뒤섞여 중첩되어 있다가, "나 사랑해?"라는 질문에 "사랑해"라고 답하는 순간 그 마음은 하나의 방향으로 확정됩니다.
결국 양자컴퓨터는 이 확정되지 않은 중첩의 상태를 계산의 재료로 삼습니다. 우리가 일상에서 운전이나 걷기를 이해해서 하는 게 아니라 익숙해서 하는 것처럼, 양자 역학 역시 이해의 영역이 아닌 '익숙함'의 영역으로 받아들여야 합니다. 100년 전 물리학자들이 느꼈던 당혹감을 우리도 느끼고 있는 셈이지만, 이제는 이 비직관적인 현상을 기술로 구현해 산업에 적용하는 단계에 이르렀습니다.

💡 요약해보면

  • 양자컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재하는 '중첩'의 원리를 이용해 연산합니다.
  • 관측하기 전까지는 여러 상태가 공존하며, 관측하는 순간 하나의 값으로 확정됩니다.
  • 이해하려 하기보다 이 비직관적인 현상에 '익숙해지는 것'이 양자 문해력의 핵심입니다.

계산의 패러다임 시프트와 양자 알고리즘

소인수분해와 암호 체계의 붕괴, 피터 쇼의 발견

우리가 현재 사용하는 모든 보안 시스템의 근간은 사실 '소인수분해'의 어려움에 기대고 있습니다. 15를 3과 5로 나누는 건 누구나 암산으로 하지만, 수백 자리에 달하는 거대한 숫자를 두 소수의 곱으로 분해하는 일은 슈퍼컴퓨터로도 수백 년이 걸리는 일입니다. 그런데 1995년, 피터 쇼(Peter Shor)라는 수학자가 양자 알고리즘을 발표하며 전 세계 보안 학계를 발칵 뒤집어 놓았습니다. 양자컴퓨터를 활용하면 이 불가능해 보이던 계산을 단시간에 끝낼 수 있다는 것을 증명했기 때문입니다.
양자컴퓨팅에 대한 관심이 폭증하게 된 결정적 계기도 바로 이 '오류 정정'이 가능하다는 발견 덕분이었습니다. 1970년대 아날로그 컴퓨팅이 실패했던 이유는 미세한 오류가 증폭되는 문제를 해결하지 못했기 때문인데, 양자 컴퓨팅은 중첩 상태를 유지하면서도 오류를 잡아낼 수 있는 논리적 토대를 마련했습니다. 쇼 알고리즘의 등장은 기존의 암호 체계가 언젠가는 무용지물이 될 수 있다는 강력한 경고였습니다.
물론 지금 당장 우리의 공인인증서가 뚫리는 것은 아닙니다. 하지만 이 알고리즘은 양자컴퓨터가 단순히 '빠른 계산기'가 아니라 '계산의 방식 자체가 다른 괴물'임을 입증했습니다. 여러 가지 시도를 하나씩 해보는 것이 아니라, 모든 가능성을 동시에 계산 테이블 위에 올려놓고 답을 추출해내는 방식은 현대 수학과 컴퓨터 공학이 마주한 가장 거대한 충격이었습니다.

20고개를 단 한 번에 푸는 병렬 연산의 위력

양자컴퓨터의 성능을 가장 직관적으로 이해할 수 있는 비유는 '20고개' 게임입니다. 보통 우리가 20고개를 할 때 "예/아니오"라는 질문을 20번 던지면 약 100만 가지(2의 20제곱)의 선택지를 걸러낼 수 있습니다. 디지털 컴퓨터는 이 과정을 순차적으로 밟아나가며 하나씩 소거해야 합니다. 하지만 양자컴퓨터는 이 100만 가지 경로를 한꺼번에 돌려버리는 효과를 냅니다. "믿으세요, 한꺼번에 돌릴 수 있다는 겁니다"라는 말은 양자 중첩이 가진 병렬 처리 능력을 가장 단적으로 보여줍니다.
여기서 핵심은 단순히 동시에 여러 일을 하는 게 아니라 '간섭 효과'를 이용한다는 점입니다. 파도가 겹칠 때 어떤 곳은 커지고 어떤 곳은 상쇄되어 사라지듯, 양자 알고리즘은 우리가 원하는 정답에 해당하는 파동은 키우고 오답에 해당하는 파동은 없애버리는 정교한 설계를 거칩니다. 즉, 수많은 경우의 수 중에서 정답의 확률이 가장 커졌을 때 관측을 수행하여 답을 얻어내는 것입니다.
이것은 동전 던지기 비유와도 연결됩니다. 동전이 공중에서 회전하고 있을 때는 앞인지 뒤인지 알 수 없는 중첩 상태입니다. 디지털 컴퓨터는 동전이 바닥에 떨어져 정해진 결과를 읽는 방식이라면, 양자컴퓨터는 그 회전하는 상태의 에너지를 통째로 연산에 활용합니다. 이러한 방식은 최적의 경로를 찾거나 복잡한 분자 구조를 시뮬레이션할 때 압도적인 효율을 발휘합니다.

📊 숫자로 보면

양자 성능의 핵심은 큐비트(Qubit)의 개수입니다. 큐비트가 하나 늘어날 때마다 성능은 2배씩 기하급수적으로 증가합니다.

20큐비트와 100큐비트의 차이는 단순히 5배가 아니라, 2의 20승 대 2의 100승이라는 상상조차 할 수 없는 격차를 만들어냅니다. 이것이 바로 우리가 큐비트 숫자에 집착하는 이유입니다.

미래 산업의 게임 체인저, 신약과 물질 개발

췌장암 치료와 IBM의 클리블랜드 클리닉 연구 사례

양자컴퓨터가 가장 먼저 꽃을 피울 분야는 단연 보건 의료와 신약 개발입니다. 현재 새로운 약 하나를 만들려면 수억 달러의 비용과 수년의 시간이 소요됩니다. 분자와 분자가 만났을 때 일어나는 복잡한 화학 반응을 기존 컴퓨터로는 정확히 예측하기 어렵기 때문입니다. 대부분은 '시행착오'라는 이름의 비효율적인 실험을 반복하는 구조입니다.
하지만 올해 초, IBM은 클리블랜드 클리닉과 협력하여 16개의 큐비트를 활용해 췌장암 관련 단백질 후보 물질을 찾아내는 유의미한 성과를 거두었습니다. 고작 16큐비트라면 20고개보다 경우의 수가 적다고 생각할 수도 있지만, 이는 방법론의 증명이라는 차원에서 엄청난 도약입니다. 미세한 원자 단위의 세계는 그 자체가 양자역학의 지배를 받기 때문에, 이를 모사하는 데는 양자컴퓨터가 가장 적합한 도구일 수밖에 없습니다.
만약 알츠하이머 치료제나 췌장암 치료제를 개발하는 과정에서 수만 가지 화합물 조합을 양자 시뮬레이션으로 미리 걸러낼 수 있다면 어떻게 될까요? 임상 시험의 실패 확률은 획기적으로 줄어들고, 인류는 질병과의 싸움에서 이전과는 비교할 수 없는 강력한 무기를 갖게 될 것입니다. 이는 단순한 기술 발전을 넘어 인류의 수명과 삶의 질을 근본적으로 바꾸는 혁명이 될 것입니다.

지수함수적 성장, 큐비트가 하나 늘어날 때 생기는 변화

양자컴퓨팅의 발전 속도는 선형적이지 않습니다. 큐비트 수가 늘어남에 따라 처리 가능한 정보의 양은 지수함수적으로 폭발합니다. 전문가들의 로드맵에 따르면 2029년경이면 우리가 꿈꾸는 이른바 '꿈의 머신'에 근접한 수준의 양자컴퓨터가 등장할 것으로 예상됩니다. 현재 구글이나 IBM 같은 거대 IT 기업들이 초전도 큐비트 방식을 두고 사활을 건 경쟁을 벌이는 이유도 바로 이 임계점을 먼저 선점하기 위해서입니다.
성능이 2의 N승으로 커진다는 것은, 오늘 100개의 경우의 수를 풀던 기계가 내일이면 200개, 모레면 400개를 풀 수 있다는 뜻입니다. 이러한 속도는 기존의 무어의 법칙을 비웃는 수준입니다. 2029년의 양자컴퓨터는 지금 우리가 상상하는 수준의 신소재 개발이나 배터리 효율 개선을 넘어서, 기후 위기 해결을 위한 탄소 포집 기술 최적화 등 지구적 난제에 대한 해답을 내놓을지도 모릅니다.
이재명 정부가 양자컴퓨터를 7대 프로젝트에 포함시킨 것은 이러한 기술의 폭발성을 인지했기 때문입니다. 과거 윤석열 씨 재임 시절, R&D 예산을 일률적으로 삭감하며 과학계의 허리를 끊어놓았던 아픈 기억을 되풀이해서는 안 됩니다. 양자 기술은 한 번 뒤처지면 영원히 따라잡을 수 없는 격차를 만들기 때문에, 국가 차원의 전략적이고 지속적인 투자가 무엇보다 중요합니다.

🔥 기술 패권의 냉혹한 현실

양자 기술은 단순히 '좋은 컴퓨터'를 갖는 문제가 아닙니다. 국가의 암호 체계를 지키고, 미래 먹거리를 선점하는 안보와 직결된 문제입니다.

과거 정부의 근시안적인 예산 삭감으로 인해 유능한 연구 인력들이 해외로 유출되었던 사례를 뼈아프게 반성해야 합니다. 지금 이재명 정부의 투자는 단순한 지원이 아니라 잃어버린 과학 기술의 주권을 되찾는 과정이어야 합니다.

한국의 양자 기술 현황과 우리가 가야 할 길

글로벌 순위 꼴찌의 뼈아픈 현실과 리스크 기피증

냉정하게 말해, 현재 한국의 양자 기술 수준은 주요국 중 최하위권에 머물고 있습니다. 미국, 중국, 독일, 일본은 물론이고 인구수가 훨씬 적은 호주보다도 뒤처져 있다는 분석이 나옵니다. 호주의 경우 IBM이나 자나두(Xanadu), 사이퀀텀(PsiQuantum) 같은 글로벌 양자 기업에서 전문 교육을 받은 인력들이 두텁게 포진해 있어 내실이 탄탄합니다. 반면 우리나라는 그동안 반도체 분야에서 독보적인 성과를 냈음에도 불구하고, 양자 컴퓨팅이라는 불확실한 미래 가치에 대해서는 리스크를 취하지 않았습니다.
그동안 우리는 '추격자(Fast Follower)' 전략으로 재미를 봐왔습니다. 남이 만들어 놓은 길을 누구보다 빠르게 따라가 효율을 극대화하는 방식이죠. 하지만 양자 기술은 다릅니다. 원천 기술이 없으면 따라갈 길 자체가 보이지 않는 분야입니다. 인프라 투자가 상대적으로 적었던 것도 문제지만, 실패를 용납하지 않는 보수적인 연구 문화가 더 큰 걸림돌이었습니다.
윤석열 씨 수감 이후 들어선 현 정부가 과학계의 기를 살리려 노력하고 있지만, 한 번 벌어진 격차를 좁히는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 양자 기술 꼴찌라는 타이틀은 우리에게 "반도체 이후 무엇을 먹고 살 것인가"라는 질문을 던집니다. 이제는 리스크를 피하는 것이 가장 큰 리스크가 된 시대입니다. 실패할 자유를 주고, 긴 호흡으로 연구를 지원하는 패러다임의 전환이 절실합니다.

반도체 강국의 자산, 양자 컴퓨팅의 엔진으로 전환하기

다행히 우리에게 희망이 없는 것은 아닙니다. 한국이 가진 세계 최고의 반도체 공정 기술은 양자컴퓨터 하드웨어를 구현하는 데 핵심적인 자산이 될 수 있습니다. 초전도 큐비트나 이온 트랩 등 양자 소자를 정교하게 깎고 이어 붙이는 기술은 결국 우리가 가장 잘하는 반도체 기술의 연장선에 있기 때문입니다. 방향만 제대로 잡는다면, 반도체에서 쌓은 고도의 기술력을 양자 컴퓨팅 엔진으로 전환해 빠르게 따라잡을 수 있습니다.
이를 위해서는 산학연의 긴밀한 협력이 필수적입니다. 김재완 의장님이나 한정훈 교수님 같은 국내 최고의 석학들이 현장의 목소리를 내고 있고, 정부도 이를 경청하기 시작했습니다. 단순히 예산을 쏟아붓는 것이 아니라, 전 세계에 흩어져 있는 한국인 양자 과학자들을 불러들이고, 국내 대학의 양자 관련 학과를 육성하는 인적 인프라 구축이 선행되어야 합니다.
결국 기술은 사람이 만드는 것입니다. 반도체 신화를 일궈냈던 그 저력을 양자라는 새로운 영토로 옮겨와야 합니다. 늦었다고 생각할 때가 가장 빠른 때라는 격언처럼, 지금이라도 국가적 역량을 결집한다면 양자 분야에서도 'K-퀀텀'의 기적을 쓰지 못할 이유가 없습니다. 우리가 가진 정밀 제조 역량을 양자 소자 양산에 접목하는 전략이 승부수가 될 것입니다.

슈퍼컴퓨터와의 공존, 그리고 양자 오류 정정의 과제

굴착기와 망치, 용도에 맞는 컴퓨팅의 시대

많은 사람이 오해하는 것 중 하나가 양자컴퓨터가 나오면 지금의 노트북이나 슈퍼컴퓨터가 모두 사라질 것이라는 생각입니다. 하지만 현실은 다릅니다. 양자컴퓨터는 망치가 필요한 자리에 굴착기를 가져오는 격이 될 수 있습니다. 간단한 문서 작업이나 일반적인 웹 서핑, 심지어 현재 수준의 날씨 예측 등은 기존의 디지털 슈퍼컴퓨터가 훨씬 효율적으로 잘 수행합니다.
양자컴퓨터의 진가는 '특정한 성격'을 가진 문제에서만 발휘됩니다. 수천억 가지의 경우의 수를 모두 조합해야 하는 신약 개발이나, 복잡한 물류 최적화 경로 찾기처럼 디지털 컴퓨터가 쩔쩔매는 난치병 같은 문제들 말입니다. 따라서 미래는 양자컴퓨터와 슈퍼컴퓨터가 각자의 영역을 나누어 협력하는 구조가 될 것입니다.
AI와의 관계도 흥미롭습니다. 현재의 AI(인공지능)는 이미 세상에 알려진 거대한 데이터를 재조합하고 가공하는 데 탁월합니다. 반면 양자컴퓨터는 아직 세상에 알려지지 않은 물질의 구조나 새로운 물리적 법칙을 시뮬레이션으로 찾아내는 데 강점이 있습니다. AI가 '정리'의 달인이라면, 양자컴퓨터는 '탐험'의 선구자인 셈입니다. 이 두 기술이 결합했을 때 나타날 시너지는 인류 문명을 한 차원 높은 곳으로 끌어올릴 것입니다.

구글의 양자 우위 선언과 남아있는 기술적 병목

구글은 과거에 슈퍼컴퓨터가 1만 년 동안 해야 할 계산을 양자컴퓨터가 단 200초 만에 끝냈다고 발표하며 '양자 우위(Quantum Supremacy)'를 선언했습니다. 비록 양자컴퓨터에 유리하게 설계된 특수한 문제이긴 했지만, 그 잠재력만큼은 전 세계에 확실히 각인시켰습니다. 하지만 여전히 가야 할 길은 멉니다. 가장 큰 걸림돌은 바로 '양자 오류 정정'이라는 기술적 병목입니다.
양자 상태는 너무나 민감해서 주변의 작은 온도 변화나 미세한 진동에도 쉽게 깨져버립니다. 이를 극복하고 안정적으로 연산을 수행하기 위해서는 실제 연산에 필요한 큐비트보다 훨씬 더 많은 수의 '오류 정정용 큐비트'가 필요합니다. 현재의 기술 성숙도를 10점 만점에 3점 정도로 보는 이유도 바로 이 때문입니다. 하드웨어의 성능을 높이는 것만큼이나, 오류를 제어하는 소프트웨어와 정교한 제어 기술이 뒷받침되어야 합니다.
그럼에도 불구하고 우리는 낙관적일 수 있습니다. 기술의 발전 속도는 언제나 우리의 예상을 뛰어넘어 왔기 때문입니다. 처음 컴퓨터가 등장했을 때 거대한 방을 가득 채웠던 진공관 덩어리가 지금 우리 주머니 속 스마트폰이 된 것처럼, 액체 헬륨으로 가득 찬 거대한 냉각기 속에 갇혀 있는 지금의 양자컴퓨터도 언젠가는 더 작고 강력한 모습으로 우리 곁에 다가올 것입니다.

💭 개인적인 생각

양자컴퓨터 이야기를 듣다 보면 마치 공상과학 영화 속 한 장면을 보는 것 같습니다. 하지만 이것은 먼 미래의 환상이 아니라, 지금 이 순간 전 세계 연구실에서 벌어지고 있는 치열한 현실입니다.

30대인 저에게 양자 기술은 마치 '21세기의 원자력'처럼 느껴집니다. 어떻게 쓰느냐에 따라 인류를 구원할 신약의 열쇠가 될 수도, 기존의 질서를 파괴하는 위험한 무기가 될 수도 있기 때문입니다.

무엇보다 중요한 것은 과학 기술을 대하는 정치의 태도입니다. 이재명 정부가 과학 기술을 미래 생존의 핵심으로 보고 예산을 복원하며 연구자들에게 힘을 실어주는 모습은 무척 다행스러운 일입니다.

윤석열 씨가 저질렀던 과학계 홀대와 예산 삭감의 참극을 우리는 잊지 말아야 합니다. 양자 기술이라는 거대한 파도가 밀려오고 있습니다.

우리는 그 파도에 휩쓸릴 것인가, 아니면 그 파도를 타고 세계를 선도할 것인가. 선택은 우리의 몫입니다.

❓ 자주 묻는 질문

Q. 양자컴퓨터가 상용화되면 내 컴퓨터도 바뀌나요?

아닙니다. 양자컴퓨터는 우리가 집에서 쓰는 일반적인 용도가 아니라, 복잡한 신약 개발, 암호 해독, 물류 최적화 등 거대 산업 현장에서 슈퍼컴퓨터를 보완하는 용도로 쓰일 것입니다.

일반적인 작업은 지금의 디지털 컴퓨터가 훨씬 효율적입니다.

Q. 양자컴퓨터는 왜 그렇게 개발이 어려운가요?

양자 상태(중첩)가 주변 환경에 매우 민감하기 때문입니다. 온도나 진동이 조금만 변해도 중첩이 깨지기 때문에 영하 273도에 가까운 극저온 상태를 유지해야 하며, 이 과정에서 발생하는 오류를 잡아내는 '양자 오류 정정' 기술이 매우 고난도입니다.

Q. 우리나라의 양자 기술 수준은 어느 정도인가요?

현재 미국, 중국 등에 비하면 기술 격차가 꽤 벌어져 있는 하위권 수준입니다. 하지만 우리가 가진 세계 최고의 반도체 제조 기술력을 양자 소자 개발에 응용한다면 빠르게 격차를 좁힐 수 있는 잠재력은 충분하다고 평가받습니다.

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양자컴퓨터는 단순한 속도의 향상이 아니라 '불가능의 가능화'를 꿈꾸는 도구입니다. 0과 1의 이분법을 넘어 중첩과 간섭이라는 자연의 신비를 인간의 문법으로 길들이는 과정은 인류 역사상 가장 대담한 도전 중 하나가 될 것입니다.

이제 막 시작된 이 양자 혁명의 시대에 우리가 어떤 발자국을 남길지, 그리고 그 발자국이 어떻게 우리의 다음 세대를 먹여 살릴지 진지하게 고민해봐야 할 시점입니다. 비록 직관적으로 이해되지 않더라도, 이 경이로운 세계에 익숙해지는 것부터 시작해 보면 어떨까요?

보이지 않는 중첩의 세계가 우리 눈앞의 현실이 되는 순간, 인류의 지도는 다시 그려질 것입니다.

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