그래, 양자컴퓨터 완벽하게 이해했어! (사실 이해 못함) (고려대학교 물리학과 채은미 교수) - 요약본
세상의 모든 지식을 이해하는 것은 귀중한 시간이니까, 오늘은 조용히 강의를 진행해요.
고려대학교 물리학과 교수인 최은미 교수님은 일본과 미국에서 공부하셨고, 양자 컴퓨터에 관한 강의를 진행해요.
양자 정보 과학은 양자 통신, 양자 암호, 양자 센싱, 양자 컴퓨터로 분류돼요.
양자 컴퓨터는 슈퍼 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산 능력을 가지고 있고, 이에 대한 관심이 많이 증가하고 있어요.
양자 컴퓨터의 핵심 개념은 양자 중첩과 양자 상태 측정이에요.
양자 중첩은 0과 1이 동시에 존재하는 상태를 의미하는 거죠.
양자 컴퓨터에서는 양자 상태 측정을 하여 양자 상태를 파괴하고 결과를 얻는다고 합니다.
또한, 양자 비트(Qubit)는 일회용으로 사용되는 회용 재료로, 다양한 방식으로 물리적으로 구현할 수 있다고 하네요.
양자 중첩은 양자 상태를 인위적으로 중첩시키는 것을 의미해요.
동전 던지기에서도 양자 중첩을 통해 다시 한 번 동전 던지기를 할 수 있고, 확률도 제어할 수 있어요.
반면, 양자 얽힘은 두 개의 큐비트가 강하게 얽혀, 각각을 독립적으로 생각할 수 없게 만드는 상태예요.
양자 얽힘을 잘 제어하면 멀리 떨어진 두 개의 큐비트도 얽혀 있게 만들 수 있어요.
양자 컴퓨터는 양자 덧셈을 활용하여 일반적인 컴퓨터보다 빠른 계산이 가능해요.
세 개의 양자 비트를 가지고 양자 중첩을 생성하여 여덟 가지의 상태를 동시에 나타낼 수 있어요.
또한 양자 컴퓨터는 2의 100승과 같은 어마어마한 숫자의 경우의 수를 단 하나의 상태로 표현할 수 있어요.
큐비의 개수가 늘어날수록 양자 컴퓨터의 이득은 훨씬 커져요.
양자 컴퓨터는 0 아님 1의 경우의 수가 아니라 8개의 경우의 수를 포함해요.
하지만 결론적으로 측정을 하게 되면 0 아님 1 둘 중 하나의 결과만 나온다구요.
반복적으로 측정하여 확률 통계를 분석해야 하며, 양자 컴퓨터에서 연산을 하려면 여러 번 반복적인 과정이 필요해요.
양자 컴퓨터는 적은 양의 측정만으로도 계산에 적합한 결과를 얻을 수 있어요.
고정 컴퓨터처럼 양이 많아질 경우, 계산 횟수에서 유리해져요.
양자 컴퓨터가 아닌 경우, 동일한 계산에 필요한 측정 정보가 훨씬 많기 때문에 계산 속도에서 불리해져요.
또한, 양자 컴퓨터의 측정은 확률적이기 때문에 측정을 할 때마다 0과 1이 나올 확률을 계산해야 해요.
양자 컴퓨터는 확률을 매우 빠르게 계산할 수 있고, 고정 컴퓨터 대비 64분의 1회만 시도해도 확률 분포를 알 수 있죠.
양자 컴퓨터는 기존의 고전 컴퓨터와는 접근 방식이 완전히 다르며, 비트 개수가 많아질수록 양자 컴퓨터의 이점이 커져요.
그러나 양자 역학 및 에러 확률 등 근본적인 이유로 인해 아직 정확도가 100%가 아니며, 보다 발전시켜야 할 숙제 중 하나입니다.
양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 짧은 시간에 수행하는데 효과적이에요.
양자 중첩과 양자 얽힘을 활용하여 계산 속도를 높일 수 있고, 특히 암호 해독 등의 복잡한 계산에 매우 유용하게 사용될 수 있어요.
일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르고 효율적인 계산이 가능하답니다.
양자 컴퓨터를 만들려면 큐비트를 만들어야 해요.
큐비트는 0과 1의 양자 중첩을 잘 만들고 유지하여 0 또는 1을 측정할 수 있어야 해요.
양자 비트의 개수와 제어 능력은 양자 컴퓨터의 성능 지표로 중요해요.
또한 에러 발생률 역시 중요한 성능 지표 중 하나에요.
테스트를 위해 약 20개의 양자 비트가 필요하고, 실제 산업에서 양자 암호 해독을 위해서는 약 5,000개 이상의 양자 비트가 필요합니다.
양자 컴퓨터의 성능 평가를 하는 지표에는 정확도, 제어 가능성, 안정성 등이 있어요.
이때, 정확도는 양자 중첩 상태를 얼마나 정확하게 만들 수 있는지를 나타내고, 제어 가능성은 원하는 양자 비트만 딱 제어할 수 있는지를 봅니다.
또한, 안정성 지표는 양자 비트 개수가 늘어나도 원하는 양자 중첩 상태가 변하지 않는지에 따라 결정되구요.
양자 컴퓨터 플랫폼으로는 초전도 큐비트, 원자 이온, 중성 원자, 광자 등이 있습니다.
양자컴퓨터는 초전도 물질로 회로를 만들어 만드는데, 반도체 공정을 통해 양자컴퓨터 칩을 만들어내요.
50개짜리 슈퍼컴퓨터급의 연산능력이 있어, 양자의 성질을 잘 나타낼 수 있어요.
나아가 양자컴퓨터는 초전도 물질로 만들어지므로 매우 낮은 온도에서 동작합니다.
초전도 물질은 구리가 아닌 극저온에서 초전도 현상을 나타내는 물질을 말하며, 결합하여 제작됩니다.
이러한 양자컴퓨터는 구글, IBM, 마이크로소프트에서 개발됐어요.
초전도 큐비트 컴퓨터는 최저 온도까지 냉각해야 해요.
냉동실에 넣어 세 시간 동안 냉각하며 사용되고, 냉각기는 칩과 케이블을 감싸고 있어요.
양자 상태가 오래 유지되기 위해서는 온도를 낮추는 것이 필요해요.
이는 상원 초전도체와 양자 중첩에도 적용돼요.
하지만, 냉각기는 크고 비싸며 확장성이 떨어져서 많은 개수의 큐비트를 담기 어렵다는 단점이 있어요.
IBM은 양자 컴퓨팅을 위해 원자 이온을 사용하는 연구를 하고 있어요.
이 연구에서는 초전도체 큐비트와 원자 이온을 활용하여 양자 상태를 나타내는데, 중첩을 만들어 0과 1로 정의하고 있어요.
그리고 원자 이온은 양자 상태를 제어할 수 있어요.
마이너스 273도에 가까운 영도 상태를 만들 수 있어서 냉각기 없이도 사용 가능한 상태예요.
원자 이온은 또한 큐비트로 사용할 수 있도록 원자맛 냉각을 할 수 있어요.
그리고 원자 이온을 전기장으로 담아 양자 상태를 제어할 수 있으며, 정확도는 99.99%인 걸로 알려져 있어요.
원자를 포지셔닝하는 것이 어렵고, 중성 원자를 활용한 플랫폼의 원자 잡는 방식에 차이가 있어요.
전자기파로 인해 환경을 조성하기 어려워 확장성에 취약하죠.
하지만 양자 컴퓨팅 필요성에 대한 의문도 있지만, 다양한 기업들이 해당 분야에서 연구하고 있어요.
최근에는 1천개 이상의 큐빗 양자 컴퓨팅 시스템을 발표하는 벤처 기업들이 등장하고 있어요.
양자 컴퓨터는 광자를 이용하여 불필요한 냉각 없이 만들 수 있어요.
또, 고속 통신 케이블이 광케이블이라 양자 통신할 때도 광자를 이용할 수 있어요.
하지만 양자 플랫폼에서 연산할 때 제한이 있고, 양자는 서로 대화를 하지 않아 기술이 필요하며 약한 빛이나 흡수 될 가능성이 높아요.
그러나, 양자 컴퓨터는 이미 매력적인 분야이기 때문에 광자 플랫폼 분야에서 연구가 진행되고 있어요.