퀀텀 컴퓨팅은 슈퍼컴퓨터가 수백만 년이 걸리는 계산을 수행할 수 있는 초강력 기계의 문을 열어줍니다.
양자 컴퓨터는 종종 차세대 컴퓨팅으로 선전되고 있습니다. 그들은 정보를 처리하기 위해 아원자 규모에서 입자의 이상한 행동인 양자 역학의 법칙에 의존합니다. 현재, 양자 컴퓨터는 오늘날의 최고의 고전 컴퓨터와 경쟁하기에는 너무 작고, 유지하기가 너무 어렵고, 오류가 나기 쉽습니다. 그러나 많은 전문가들은 언젠가 양자 컴퓨팅이 특정 작업에서 고전 컴퓨팅을 추월할 것으로 예상합니다.
양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 기술들은 지난 몇 년간 급속하게 발전했습니다. 언젠가는 오늘날 가장 강력한 재래식 컴퓨터에도 너무 복잡한 문제들을 해결할 수 있을지도 모릅니다. 이 엄청난 성능 향상은 제약, 기후 모델링 및 제조를 포함한 많은 흥미로운 용도로 사용될 수 있는 문을 열 수 있으며, 이 모든 것들은 엄청나게 복잡한 시뮬레이션에 의존합니다.
양자 컴퓨팅 vs 고전 컴퓨팅
고전 컴퓨터는 이진 비트를 사용하여 데이터를 처리하는데, 이진 비트는 0 또는 1 두 가지 상태 중 하나일 수 있습니다. 비트는 실리콘, 게르마늄 또는 다른 반도체로 만들 수 있는 트랜지스터로 인코딩됩니다.
양자 컴퓨터는 양자 비트의 역할을 하는 전자나 광자와 같은 입자, 즉 0과 1의 중첩을 나타내는 큐비트를 사용하는데, 이는 한 번에 여러 상태로 존재할 수 있다는 것을 의미합니다. 큐비트는 실리콘과 같은 반도체 물질, 또는 스피넬(MgAl2O4)과 란타넘 알루미네이트(LaAlO3)와 같은 초전도 물질에서도 암호화될 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 양자 우월성을 완전히 실현하기 위해 큐비트가 데이터를 인코딩하고 처리하는 독특한 방식을 활용하는 다양한 알고리즘을 필요로 합니다. 과학자들은 계산 복잡성이 낮은 양자 알고리즘을 개발하고 있는데, 이는 기존 알고리즘에 비해 런타임이나 연산 횟수가 적다는 것을 의미합니다. 하지만 양자 알고리즘은 아직 사용할 수 없는 대형 내결함성 양자 컴퓨터에서 실행되어야 합니다.
큐비트: 큐비트는 고전 컴퓨터에서 이진 비트와 동일한 양자 입자입니다. 큐비트가 둘 이상의 상태에 있을 수 있다는 점을 감안할 때, 큐비트가 서로 연결되어 계산을 수행하는 데 사용될 수 있다면 이진 비트보다 기하급수적으로 높은 처리 능력을 제공합니다.
큐비트는 고전 컴퓨터의 이진 게이트와 마찬가지로 양자 게이트를 이용해 데이터를 처리합니다. 하지만 양자 게이트는 이진 게이트와 달리 가역적입니다. 어떤 이진 게이트는 정보를 처리할 때 데이터가 손실되지만 양자 게이트는 정보를 보존합니다. 양자 게이트는 양자 회로를 형성합니다.
중첩: 큐비트와 이진 비트의 주요 차이점은 큐비트가 중첩 상태에서 작동한다는 것인데, 이는 큐비트가 1과 0을 동시에 나타낼 수 있다는 것을 의미합니다. 이 중첩은 양자 컴퓨터가 큐비트의 모든 상태를 동시에 처리하여 계산을 병렬로 수행할 수 있게 해줍니다.
얽힘: 양자 얽힘은 양자 컴퓨터에서 두 개의 아원자 입자, 즉 큐비트가 공간과 시간에 걸쳐 연결되어 있는 중첩과 관련된 현상입니다. 그들은 물리적으로 분리되어 있지만 동시에 정보를 공유하고 상호 작용합니다. 입자 사이의 거리와 상관없이 하나가 관찰되면 다른 하나의 상태가 알려집니다.
양자 컴퓨터는 얼마나 강력합니까?
양자 중첩과 얽힘은 양자 컴퓨터의 처리 잠재력을 고전 컴퓨터보다 훨씬 높게 만듭니다.
고전적인 비트를 더 추가하면 컴퓨터가 할 수 있는 계산 수가 선형적으로 증가하는 반면, 양자 컴퓨터에 더 많은 큐비트를 추가하면 연산 능력이 기하급수적으로 증가하여 큐비트가 충분하면 고전적인 이진 컴퓨터를 훨씬 능가합니다. 과학자들은 약 2천만 큐비트를 가진 양자 컴퓨터가 고전적인 컴퓨터가 풀 수 없는 문제인 양자 우월성을 달성할 것으로 추정합니다.
양자 중첩과 얽힘은 양자 컴퓨터의 처리 잠재력을 고전 컴퓨터보다 훨씬 높게 만듭니다.
고전적인 비트를 더 추가하면 컴퓨터가 할 수 있는 계산 수가 선형적으로 증가하는 반면, 양자 컴퓨터에 더 많은 큐비트를 추가하면 연산 능력이 기하급수적으로 증가하여 큐비트가 충분하면 고전적인 이진 컴퓨터를 훨씬 능가합니다. 과학자들은 약 2천만 큐비트를 가진 양자 컴퓨터가 고전적인 컴퓨터가 풀 수 없는 문제인 양자 우월성을 달성할 것으로 추정합니다.
양자 컴퓨터는 어떻게 작동합니까?
양자 컴퓨터는 컴퓨터의 서로 다른 층을 수용하는 일련의 상호 연결된 튜브와 전선으로 구성된 샹들리에와 같은 상징적인 건축물을 가지고 있습니다. 대부분의 양자 컴퓨터는 거대하고 강력한 냉장고와 연결되어 프로세서가 열 소음과 진동을 완화하기 위해 절대 영도에 가깝게 냉각될 수 있습니다. 샹들리에의 많은 층들은 바닥 층 근처에 있는 양자 프로세서를 매우 차갑게 유지하기 위해 작동합니다.
양자 컴퓨터는 모두 구조가 조금씩 다르지만 다음과 같은 요소를 가지고 있는 경향이 있습니다.
양자 데이터 평면: 양자 데이터 평면은 큐비트를 수용하고 양자 게이트를 통해 데이터가 처리되는 곳입니다. 큐비트를 제자리에 고정시키는 구조는 다른 종류의 양자 컴퓨터마다 다릅니다. 일부 큐비트는 절대 0도 바로 위까지 냉각된 고체 초전도체로 만들어집니다. 다른 큐비트는 전자기장을 사용하여 높은 진공 챔버에 이온, 즉 큐비트 역할을 하는 전하를 띤 원자를 가둡니다. 진공 압력은 진동으로부터의 간섭을 최소화하고 큐비트를 안정화시킵니다.
제어 및 측정 평면: 제어 및 측정 평면은 고전 컴퓨터의 디지털 신호를 양자 데이터 평면의 큐비트 상태를 변경하는 데 사용되는 아날로그 신호로 변환합니다.
양자 컴퓨터는 양자 데이터 평면과 마찬가지로 마이크로파나 레이저와 같은 다양한 방식으로 신호를 보냅니다.
제어 프로세서 평면과 호스트 프로세서 데이터를 처리하기 위해 양자 컴퓨터에서 동작하도록 설계된 일련의 연산인 양자 알고리즘은 제어 프로세서 평면과 호스트 프로세서에 의해 구현됩니다. 양자 연산을 수행한 호스트 프로세서는 궁극적으로 고전적인 디지털 신호를 제어 및 측정 평면에 제공합니다.
양자 소프트웨어: 프로세서를 제어 및 측정 평면으로 출력하기 위해서는 또 다른 요소인 양자 소프트웨어가 필요합니다. 양자 컴퓨터는 큐비트에서 일련의 양자 연산을 정의하는 루틴이나 양자 회로로 가장 흔히 설명되는 특수 설계된 알고리즘을 필요로 합니다. 양자 소프트웨어는 양자 알고리즘으로 구성되어 있습니다. 큐비트에서 계산을 수행할 때 발생하는 오류를 수정하기 위해 다른 양자 소프트웨어가 사용됩니다.
양자 컴퓨터가 필요한 이유는 무엇입니까?
이론적으로 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터보다 잠재적으로 훨씬 빠를 수 있고, 여러 복잡한 문제를 동시에 해결할 수도 있습니다. 특히 최적화 작업에 유망한 컴퓨터들입니다. 고전 컴퓨터는 어떤 문제에 가능한 한 많은 해결책이 있을 때 어려움을 겪거나 실패합니다. 하지만 양자 컴퓨터는 모든 가능한 해결책을 고려하여 최적의 해결책을 빠르게 찾을 수 있습니다. 양자 컴퓨터가 사용될 수 있는 방법은 약물 발견이나 물질 과학, 즉 현재 가장 빠른 고전 컴퓨터가 배치되어 있습니다.
양자 컴퓨터는 또한 인공 지능 (AI)을 변화시킬 수 있습니다. 인공 지능 시스템은 큰 데이터 세트를 사용하여 훈련되므로 양자 컴퓨터는 더 크고 복잡한 데이터 세트를 인공 지능 훈련에 사용하여 점점 더 정교한 시스템으로 이어질 수 있습니다.
양자 컴퓨터를 만드는 것이 왜 그렇게 어려운가요?
양자 컴퓨터는 온도 변화나 길 잃은 입자와 같은 외부 소스의 간섭을 받기 쉽고, 간섭이 있을 때 큐비트는 디코히어런스, 즉 양자 상태의 붕괴에 취약합니다. 이러한 디코히어런스는 양자 컴퓨터를 기존 컴퓨터보다 훨씬 더 오류가 발생하기 쉽게 만듭니다. 큐비트의 경우 약 10억 비트 중 1비트가 실패하지만, 실패율은 약 1,000분의 1입니다.
양자계를 외부의 영향으로부터 보호하는 방법은 여러 가지가 있지만, 오류가 슬그머니 들어올 수는 있습니다. 오류 하나로 인해 전체 계산의 유효성이 무너질 수 있습니다. 그리고 기존의 오류 수정 방법은 큐비트와 비트가 근본적으로 다르기 때문에 작동하지 않습니다.
과학자들은 양자 컴퓨터의 오류를 보완하기 위해 양자 알고리즘을 만들었지만, 이것들은 데이터를 처리하기 위해 얼마나 많은 큐비트가 필요한지를 줄여줍니다. 양자역학의 또 다른 특징은 입자나 원자의 상태를 직접 관찰하거나 측정하는 것이 그것을 파괴한다는 것입니다. 그것은 직접적인 관찰이 데이터를 손상시킬 위험이 있기 때문에, 연구자들이 출력물의 양자 상태를 읽기 위해 까다로운 해결책을 사용해야 한다는 것을 의미합니다.
양자 컴퓨팅의 의미는 무엇입니까?
일단 우리가 양자 우월성에 도달하면 양자 컴퓨터는 파괴적인 기술이 될 것입니다. 하지만 과학자들이 수백만 개의 오류가 수정된 큐비트를 가진 충분히 강력한 양자 컴퓨터를 언제 만들 것인지는 불확실하며 지금까지 가장 강력한 양자 컴퓨터는 약 1,000 큐비트밖에 가지고 있지 않습니다.
그럼에도 불구하고 고전 컴퓨터는 양자 상태를 유지할 필요가 없기 때문에 대부분의 문제를 해결하는 가장 쉬운 방법으로 남을 것입니다. 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터의 능력 밖의 문제를 해결하는 데만 사용될 것입니다.
하지만 영향을 받을 가능성이 있는 분야 중 하나는 금융 기록과 개인 정보와 같은 민감한 데이터를 보호하는 암호화입니다. 현대의 암호화 방법은 고전 컴퓨터가 풀기에는 너무 복잡한 수학 문제에 의존합니다. 하지만 양자 컴퓨터의 처리 능력은 쉽게 해결할 수 있을 것입니다. 미래에 민감한 데이터가 양자 컴퓨터에 의해 깨지는 것을 보호하기 위해 연구자들이 양자 저항 암호화를 개발하려고 시도하면서 양자 암호화는 이제 급성장하는 분야입니다.