양자 컴퓨팅이란 무엇입니까?

양자역학은 미시적 수준에서 입자의 행동을 연구하는 물리학 분야입니다. 아원자 수준에서, 입자가 어떻게 행동하는지 설명하는 방정식은 우리 주변의 거시적인 세계를 설명하는 방정식과는 다릅니다. 양자 컴퓨터는 이러한 동작을 이용하여 완전히 새로운 방법으로 계산을 수행합니다.

양자 컴퓨터는 양자 원리를 이용하여 작동합니다. 양자 원리는 중첩, 얽힘, 결잃음 등의 용어를 포함하는 새로운 용어 사전을 완전히 이해해야 합니다. 아래의 원칙을 살펴보겠습니다.

중첩

중첩은 고전 물리학의 파동처럼 두 개 이상의 양자 상태를 추가할 수 있으며 그 결과는 또 다른 유효한 양자 상태가 될 것이라는 원리입니다. 반대로 모든 양자 상태를 둘 이상의 다른 별개의 상태의 합으로 나타낼 수도 있습니다. 큐비트의 이러한 중첩은 양자 컴퓨터에 고유의 병렬성을 부여하여 수백만 개의 작업을 동시에 처리할 수 있게 합니다.

얽힘

양자 얽힘은 두 시스템이 너무 밀접하게 연결되어 있어, 두 시스템이 이 얼마나 멀리 떨어져 있든 한 시스템에 대한 지식이 다른 시스템에 대한 즉각적인 지식을 제공할 때 발생합니다. 양자 프로세서는 다른 입자를 측정하여 한 입자에 대한 결론을 도출할 수 있습니다. 예를 들어 한 큐비트가 위로 회전하면 다른 큐비트가 항상 아래로 회전하고 그 반대도 마찬가지라고 판단할 수 있습니다. 양자 얽힘은 양자 컴퓨터가 복잡한 문제를 더 빨리 해결할 수 있게 해줍니다.

양자 상태가 측정되면 파동 함수가 축소되고 상태를 0 또는 1로 측정합니다. 이 알려진 상태 또는 결정론적 상태에서는 큐비트가 고전적인 비트 역할을 합니다. 얽힘은 큐비트의 상태를 다른 큐비트와 상관시키는 능력입니다.

결잃음

결잃음은 큐비트에서 양자 상태의 손실입니다. 방사선과 같은 환경 요인은 큐비트의 양자 상태를 붕괴시킬 수 있습니다. 양자 컴퓨터를 구성하는 데 있어 큰 엔지니어링 과제는 외부 필드로부터 큐비트를 보호하는 특수 구조를 구축하는 것과 같이 상태의 비일관성을 지연시키려는 다양한 기능을 설계하는 것입니다.

아무도 내결함성 양자 컴퓨터를 만드는 최고의 방법을 보여주지 않았으며, 여러 회사와 연구 그룹이 서로 다른 유형의 큐비트를 조사하고 있습니다. 아래에서는 이러한 큐비트 기술 중 일부를 간략하게 보여 줍니다.

게이트 기반 이온 트랩 프로세서

게이트 기반 양자 컴퓨터는 입력 데이터를 가져와서 미리 정의된 단일 연산에 따라 변환하는 디바이스입니다. 이 연산은 일반적으로 양자 회로로 표시되며 전통적인 전자 장치의 게이트 연산과 유사합니다. 하지만 양자 게이트는 전자 게이트와 완전히 다릅니다.

이온 트랩 방식의 양자 컴퓨터는 이온이라고 부르는 하전된 원자의 전자 상태를 사용하여 큐비트를 구현합니다. 전자기장을 이용해 이온을 미세 가공된 트랩 위에 가두고 띄워두는 방식입니다. 포획 이온 기반 시스템은 레이저를 사용하여 양자 게이트를 적용하여 이온의 전자 상태를 조작합니다.  포획 이온 큐비트는 큐비트를 합성적으로 생산하기보다는 자연에서 온 원자를 사용합니다.

게이트 기반 초전도 프로세서

초전도성은 매우 낮은 온도에서 수은과 헬륨과 같은 특정 물질에서 관찰할 수 있는 물리적 특성들의 집합입니다. 이러한 재료에서 전기 저항이 0이고 자속장이 방출되는 특성 임계 온도를 관찰할 수 있습니다. 초전도 와이어의 루프를 통과하는 전류는 전원 없이 무한히 유지될 수 있습니다.

초전도 양자 컴퓨팅은 초전도 전자 회로에서 양자 컴퓨터를 구현하는 방식입니다. 초전도 큐비트는 초저온에서 작동하는 초전도 전기 회로로 제작됩니다.

광자 프로세서

양자 광자 프로세서는 계산을 위해 빛을 조작하는 장치입니다. 광양자 컴퓨터는 압착 광 펄스를 방출하는 양자 광원과 연속 조작자의 모드(위치 또는 가속도)에 해당하는 큐비트를 사용합니다.

중성 원자 프로세서

중성 원자 큐비트 기술은 포획 이온 기술과 유사합니다. 하지만 전자기력 대신 빛을 사용하여 큐비트를 가두어 제자리에 고정시킵니다. 원자는 충전되지 않으며 회로는 실온에서 작동할 수 있습니다.

리드버그 원자 프로세서

리드버그 원자는 평균적으로 원자핵에서 더 멀리 떨어져 있는 하나 이상의 전자를 가진 들뜬 원자입니다. 리드버그 원자는 전기장과 자기장에 대한 과장된 반응과 긴 수명을 포함한 많은 독특한 특성을 가지고 있습니다. 큐비트로 사용할 경우 서로 다른 상태를 선택하여 조정할 수 있는 강력하고 제어 가능한 원자 상호 작용을 제공합니다.

양자 어닐러

양자 어닐링은 양자 시스템의 큐비트를 절대 에너지 최소치에 배치하기 위해 물리적 프로세스를 사용합니다. 여기서 하드웨어는 시스템 구성을 부드럽게 변경하여 에너지 지형이 해결해야 할 문제를 반영합니다. 양자 어닐러의 장점은 큐비트의 수가 게이트 기반 시스템에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 클 수 있다는 것입니다. 그러나 이러한 용도는 특정 경우에 한해 제한됩니다.

양자 컴퓨팅을 시도하고 싶다면 로컬 머신에서 양자 하드웨어 에뮬레이터로 시작할 수 있습니다. 에뮬레이터는 고전적인 컴퓨터의 양자 동작을 모방하는 일반 소프트웨어입니다. 예측 가능하고 양자 상태를 볼 수 있습니다. 양자 하드웨어 시간에 투자하기 전에 알고리즘을 테스트하고 싶을 때 유용합니다. 하지만 실제 양자 행동을 재현할 수는 없습니다.

또한 클라우드 양자 컴퓨팅 서비스를 사용하여 값비싼 하드웨어에 투자하지 않고 진정한 양자 컴퓨터에서 코딩할 수 있습니다.