계장기술(PROCON)

특별기고 퀀텀 컴퓨팅 : 정보 기술의 패러다임 전환

페이지 정보

작성자 최고관리자 댓글 0건 조회 1,205회 작성일 21-04-14 15:25

본문

40여 년 전, 리처드 파인만은 기계적으로 양자를 작동시키는 컴퓨터 하드웨어를 사용하여 훨씬 더 효율적으로 퀀텀(양자) 시스템을 시뮬레이션할 수 있다고 가정했다. 그런데 기계적으로 양자를 작동시킨다는 것은 무슨 뜻일까? 간단히 말해, 양자 역학 법칙을 준수하는 시스템에서 정보가 보관 및 처리되며, 이러한 법칙이 정보처리의 기본을 형성한다는 의미다.

이를 위해 키사이트는 몇 가지 놀라운 속성을 갖는 퀀텀 2준위계, 즉 퀀텀 비트(큐비트) 개념을 도입한다. 퀀텀 프로세서의 정보는 큐비트 상태로 인코딩된다. 이 바이라인에서는 독자들에게 중첩(Superposition), 결잃음(Decoherence), 얽힘(Entangle ment) 등 퀀텀 정보 처리에서 가장 중심이 되는 세 가지 개념을 소개함으로써 퀀텀 컴퓨터의 동작 방식을 이해하기 위한 토대를 마련할 것이다.

6d3ee8c2d3a7fd2bd298d6107cf15172_1618381430_9149.png

중첩 상태

트랜지스터의 “On” 또는 “Off” 상태로 정보를 표현하는 고전적인 비트[그림 1(a) 참조]와 달리, 큐비트는 “0” 또는 “1” 상태로만 제한되는 것이 아니라, 실제로 동시에 두 상태 모두에 놓일 수 있다[그림 1(b) 참조]. 이 현상은 중첩(Superposition)이라고 알려진 양자 물리학의 기초 개념이다. 수학적으로는(물리적 구현에도 불구하고) 큐비트 상태를 블로흐 스피어라는 단위구의 한 점으로 표현할 수 있다. [그림 1(b) 참조]

중첩은 양자 역학의 통계적 본질을 반영하며, 시스템이 관찰(또는 측정)되지 않는 시간 동안 유지된다. 양자 상태를 측정하면 시스템이 하나의 특정 상태로 붕괴하는데, 이때 블로흐 스피어에서 상태-좌표 “위도”에 의해 제공된 두 상태 중 하나에 놓일 확률이 있다(그림 2 참조). 중첩에 대한 한 가지 유명한 예로 관찰할 때까지는 고양이가 동시에 죽은 상태와 살아 있는 상태 모두로 존재한다는 슈뢰딩거의 고양이라는 사고 실험이 있다. 이러한 이유로 전체 퀀텀 알고리즘 과정에서 큐비트가 보호되고, 관찰되지 않은 상태로 유지되어야 한다.

6d3ee8c2d3a7fd2bd298d6107cf15172_1618381471_9193.png
6d3ee8c2d3a7fd2bd298d6107cf15172_1618381493_1654.png

결잃음 - “양자”의 손실

퀀텀 프로세서 아이디어가 생겨난 것은 오래전이지만, 아직까지 퀀텀 컴퓨터를 대규모로 실현한 사례는 없다. 퀀텀 컴퓨터 개발이 매우 어려운 주된 이유 중 하나는 큐비트 중첩이 존재하는 시간이 제한적이라는 점이다. 따라서, 퀀텀 엔지니어의 주된 과제 중 하나는 프로세서 성능 저하 없이 가능한 한 수명이 긴 퀀텀 시스템을 구축하는 것이다.

양자 결맞음 손실은 결잃음(Decoherence)이라고 하며, 이미 이전 섹션에서 알아본 것처럼 측정을 하면 양자 중첩이 고전적인 상태로 붕괴되는 매우 기초적인 이유를 갖는다. 이 현상은 관찰자에 의한 의도적인 측정이든, 주변 노이즈에 의해 발생한 것이든 관계없이 발생한다. 퀀텀 시스템은 그 차이점을 확인할 수 없다.

따라서, 어떤 양자 실험실에서든 큐비트 결맞음 시간을 측정하는 것이 관건 중 하나다. 그 이유는 큐비트 자체와 해당 실딩의 품질, 퀀텀 게이트를 사용하여 작동하는 방식, 큐비트 판독의 특성 등에 대한 중요한 정보를 제공하기 때문이다.

큐비트의 결맞음 시간은 노이즈가 상태에 미치는 영향에 따라 두 개의 기간으로 나눌 수 있다. 에너지 완화 시간, T1은 큐비트 상태가 기저 상태 |0>로 완화된 후의 시간을 의미한다[그림 3(a) 참조]. 이런 유형의 쇠퇴는 에너지가 시스템을 나가기 때문에 비가역적이다. 탈위상 시간, T2는 상태가 블로흐 스피어의 “적도” 주변에서 해당 위상 정보를 손실한 이후의 기간을 의미한다[그림 3(b) 참조]. 에너지 완화와 달리, 위상 결맞음 손실은 특정 상황에서는 리포커싱 게이트 시퀀스를 적용하여 가역적일 수 있다.

6d3ee8c2d3a7fd2bd298d6107cf15172_1618381521_6066.png

얽힘 및 양자 간섭

또한 양자 중첩 상태는 한 시스템의 작동이 즉시 다른 모든 시스템에 영향을 미치는 것과 같이 여러 가지 퀀텀 시스템들 간에 확장될 수 있다. 이러한 유형의 상호작용을 얽힘(Entanglement)이라 하고, 각각 추가된 큐비트를 통해 연산력이 확대되는 이점을 퀀텀 컴퓨터에 제공한다.

이 강력한 확대 현상을 보여주기 위해, 전체 퀀텀 레지스터 설명에 필요한 복소 계수의 수를 고려할 수 있다. 예를 들어 앞에서 알아본 것처럼, 하나의 큐비트 상태는 두 개의 복소 계수, c0 및 c1로 표현할 수 있다. 이러한 계수는 각각 시스템 상태가 |0> 및 |1>에 있을 확률을 나타낸다. 같은 방식으로, 얽힌 두 개의 큐비트의 상태를 표현하려는 경우에는 4개의 복소 계수(즉, c00,c01, c10, c11 등)가 필요하다. 실제로 계수의 수는 2N 형태로 증가한다(N은 큐비트의 수). 즉, 큐비트 레지스터에 300개의 큐비트가 있는 경우, 계수의 수가 알려진 우주의 원자 수보다 많다.

많은 큐비트가 포함된 큐비트 레지스터에서 수행된 퀀텀 알고리즘에서, 특정 상태의 큐비트를 찾을 확률들 간 통계적 분포가 예상 결과에 포함된다. 따라서 큐비트가 서로 얽혀 있다고 하면, 결과 상태의 양자 간섭 패턴(또는 상호 연관)을 분석하여 관련 연산 작업에 대한 답을 찾을 수 있다. 그림 4에 두 개의 큐비트에 대해 설명되어 있다.

카테고리

카테고리
현재(2019~)

잡지리스트

잡지리스트

이달의 광고업체

이달의 광고업체