양자컴퓨터 원리 에 대해 알아보는 포스팅을 하겠습니다. 양자컴퓨터는 양자역학 이론으로 만들어진 컴퓨터를 뜻하는데요. 양자역학은 원자단위의 미시세계에서의 일을 설명하는 과학입니다. 원자단위의 미시세계는 우리가 흔히 생각하기 쉬운 상식선에서 벗어나는 일들이 벌어지는 공간입니다. 그러니 아직은 왜? 라고 질문하지 말고 그 미시세계에 일어나는 현상 자체를 그냥 받아들여야 할 필요성이 있습니다.
위의 사진은 IBM이 개발한 양자컴퓨터입니다.
수원의 한국과학기술연구원에서는 양자컴퓨터에 관해 연구하고 있습니다. 양자컴퓨터 원리에 대한 본질은 큐비트의 구현에 관한 연구입니다.
큐비트(Qubit)는 양자비트(Quantum bit)의 줄인 말로 양자컴퓨터의 정보를 처리하는 기본단위입니다. 양자컴퓨터 원리를 알기 위해서는 큐비트를 알아야 합니다.
양자컴퓨터가 기존의 컴퓨터와 다른 점은 비트 대신 양자비트라고 하는 큐비트를 사용하는 것입니다. 큐비트는 0과 1, 그리고 0과 1 사이의 중첩까지 허용하는 것을 말하는데요. 여기서 말하는 중첩은 0과 1 두 속성을 모두 가지고 있는 상태입니다. 이런 것이 존재한다는 것을 물리학자들이 이미 지난 100년 전부터 연구해 왔습니다. 그래서 지금은 모든 물리학자가 큐비트라는 것이 존재한다고 인정하고 있는 상황입니다.
지금 우리가 흔히 사용하는 컴퓨터는 0과 1의 정보로서 작동하는 것입니다. 양자컴퓨터에서 말하는 큐비트는 0 또는 1이라고 하지 않고 그사이에 존재하는 확률을 뜻합니다. 위의 전구 같은 상태를 의미하고, 저것을 이용하는 것입니다.
큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 갖는 것을 양자의 중첩 현상을 이용하는 것이라고 합니다. 큐비트 1개는 동시에 2개의 연산이 가능하고, 큐비트 2개는 4개의 계산을 동시에 할 수 있습니다. 그래서 큐비트를 이용하면 2^n의 공식으로 연산을 동시에 할 수 있는 것입니다. 이래서 양자컴퓨터 속도가 지금 컴퓨터들과 비교하면 굉장히 빠른 것입니다.
만약 몇백 큐비트를 가지고 있는 양자컴퓨터가 있다면 우주에 존재하는 원자 수보다 많은 연산을 동시에 할 수 있습니다.
양자컴퓨터를 구현하기 위해서는 양자 정보의 기본단위인 큐비트를 만들어야 합니다. 큐비트는 서로 구분이 가능한 두 개의 양자 상태 혹은 두 개 이상의 양자 상태를 가진 물리계를 찾아내는 것입니다. 그게 되면 끝나는 게 아니라 여러 개의 양자 상태를 중첩상태로 만들어줘야 합니다. 양자컴퓨터 원리의 기본입니다.
이것이 양자컴퓨터의 기본이기 때문에 중첩상태에 놓을 수 있는 양자 큐비트를 얼마나 많이 만들 수 있는지에 따라서, 또 서로 얽힘 상태라고 부르는 특별한 양자 상태를 얼마나 효율적으로 잘 제어하고 측정하는지에 따라서 양자컴퓨터의 성능이 바뀌고 용도가 바뀝니다.
양자정보연구단에서는 광자, 원자, 하이브리드 큐비트를 연구하고 있습니다. 현재 연구하고 있는 여러 큐비트 시스템의 장점을 합치고 단점을 보완한 기술입니다.
연구진이 큐비트의 재료로 선택한 것은 빛 입자인 광자와 다이아몬드에 고립된 원자입니다. 어떤 물질을 구성하고 있는 원자들은 규칙적인 배열을 갖습니다. 그중 일부가 빠지면 그사이에 불순물이 들어옵니다. 이러한 경우를 결함이 생겼다고 말하는데요. 이 결함 부분에는 남는 전자들이 있습니다. 결함 속 남는 전자를 고립된 원자라고 할 수 있는데요. 이렇게 결함 속 남는 전자를 활용해 큐비트로 활용할 수 있는 것입니다.
다이아몬드는 탄소 원자로 구성된 것인데요. 그 중간에 탄소 원자가 없어지고 다른 결함이 생깁니다. 이게 균일한 다른 공간에 있는 인공 원자 같은 역할을 하게 되고 큐비트가 에너지 레벨을 갖게 됩니다. 그 에너지 레벨에 맞는 레이저 빛을 쏘아준다거나, 그 에너지 레벨에 맞는 마이크로웨이브를 쏘아주는 형태로 0을 1로 바꾸거나, 1을 0으로 바꾸는 작용을 합니다.
현재 양자컴퓨터 개발을 위한 핵심은 큐비트입니다. 상태가 2개인 양자를 만들고, 중첩과 얽힘을 자유롭게 제어할 수 있다면 큐비트의 후보가 될 수 있습니다.
양자컴퓨터는 지금의 슈퍼컴퓨터가 1만 년 할 일을 200초 만에 할 수 있습니다. 양자컴퓨터가 실용화되면 데이터 처리 속도가 엄청나게 빠르므로 교통체증이 도로에서 사라지고, 인공지능으로 미래를 예측할 수 있고, 화학 분야에서는 자연을 시뮬레이션해 지금까지 없었던 재료나 신물질, 신약이 등장합니다. 또 유전자 분석 기술의 진화로 생명을 연장할 수 있습니다. 이러한 것들이 현실로 되려면 시간이 걸립니다.
이상 양자컴퓨터 원리에 대해 알아보는 포스팅을 하였습니다. 양자컴퓨터가 실용화되면 인류는 신의 영역으로 발걸음을 내딛게 되는 게 아닌가 합니다. 능력이 크면 그만큼 위험도 커지는데요. 잘 나아가면 좋겠습니다. 행복하세요!!
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