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양자컴퓨터란 무엇일까?

양자컴퓨터(Quantum computing) 이란 무엇일까?

양자 컴퓨팅은 양자 역학의 고유한 특성을 활용하여 가장 강력한 클래식 컴퓨터의 능력을 뛰어넘는 문제를 해결하는 컴퓨터 과학 및 공학의 새로운 분야입니다
양자 컴퓨팅 분야에는 양자 하드웨어 및 양자 알고리즘을 포함한 다양한 분야가 포함됩니다. 
아직 개발 중이지만 양자 기술은 곧 기존 슈퍼컴퓨터가 해결할 수 없는 복잡한 문제를 해결할 수 있게 될 것입니다.

양자 물리학을 활용함으로써 대규모 양자 컴퓨터는 현대의 기존 기계보다 몇 배 더 빠르게 특정 복잡한 문제를 해결할 수 있습니다.
양자 컴퓨터를 사용하면 클래식 컴퓨터가 해결하는 데 수천 년이 걸릴 수 있는 일부 문제가 몇 분 또는 몇 시간 안에 해결될 수 있습니다.

 

양자 역학의 네 가지 핵심 원리

양자 컴퓨팅을 이해하려면 네 가지 주요 양자 역학 원리를 이해하는 것이 중요합니다.

  • 중첩
  • 얽힘
  • 간섭
  • 결어긋남

중첩

큐비트 자체는 그다지 유용하지 않습니다. 하지만 큐비트는 보유한 양자 정보를 큐비트의 가능한 모든 구성의 조합을 나타내는 중첩 상태에 놓을 수 있습니다. 큐비트 그룹을 중첩하면 복잡한 다차원 계산 공간을 만들 수 있습니다. 이러한 공간에서는 복잡한 문제를 새로운 방식으로 표현할 수 있습니다.

양자 시스템이 측정되면 그 상태는 가능성의 중첩에서 이진 상태로 붕괴되며, 이는 이진 코드처럼 0 또는 1로 등록될 수 있습니다.

얽힘

얽힘은 큐비트가 상태를 다른 큐비트와 연관시키는 능력입니다. 얽힌 시스템은 본질적으로 연결되어 있어 양자 프로세서가 얽힌 단일 큐비트를 측정할 때 얽힌 시스템의 다른 큐비트에 대한 정보를 즉시 확인할 수 있습니다.

간섭

간섭은 양자 컴퓨팅의 엔진입니다. 집단 중첩 상태에 배치된 큐비트 환경은 각 결과와 관련된 진폭을 사용하여 파동처럼 보이는 방식으로 정보를 구조화합니다.

이러한 진폭은 시스템 측정 결과의 확률이 됩니다. 이러한 파동은 많은 파동이 특정 결과에서 정점을 찍을 때 서로 겹칠 수 있고, 최고점과 최저점이 상호 작용할 때 서로를 상쇄할 수 있습니다. 확률을 증폭하거나 다른 확률을 상쇄하는 것은 모두 간섭의 한 형태입니다.

결어긋남

결어긋남은 양자 상태의 시스템이 비양자 상태로 붕괴되는 과정입니다. 이는 양자 시스템을 측정하거나 다른 환경 요인에 의해 의도적으로(때때로는 의도치 않게) 트리거될 수 있습니다. 일반적으로 양자 컴퓨팅은 결어긋남을 피하고 최소화해야 합니다.

 

양자컴퓨터는 어떻게 작동하나요?

클래식 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 주요 차이점은 양자 컴퓨터가 비트 대신 큐비트를 사용한다는 것입니다.

큐비트란 무엇인가요?

클래식 컴퓨터는 비트(0과 1)를 사용하여 데이터를 저장하고 처리하는 반면, 양자 컴퓨터는 양자비트(큐비트)를 중첩하여 데이터를 다르게 처리합니다.

큐비트는 비트처럼 동작하고 0 또는 1을 저장할 수 있지만 동시에 0과 1의 가중치 조합일 수도 있습니다. 큐비트가 결합되면 중첩의 복잡성이 기하급수적으로 증가할 수 있습니다: 두 큐비트는 4개의 가능한 2비트 문자열의 중첩에 있을 수 있고, 3개의 큐비트는 8개의 가능한 3비트 문자열의 중첩에 있을 수 있습니다. 100큐비트를 사용하면 가능성의 범위는 천문학적입니다.

큐비트 유형

일반적으로 큐비트는 초전도 회로, 광자, 전자, 포획 이온 및 원자와 같은 양자역학적 거동을 나타내는 시스템을 조작하고 측정하여 생성됩니다.

  • 초전도 큐비트: 극도로 낮은 온도에서 작동하는 초전도 재료로 만들어진 이 큐비트는 계산 수행 속도와 미세 조정된 제어 속도로 인해 선호됩니다.
  • 포획 이온 큐비트: 포획 이온 입자는 큐비트로도 사용할 수 있으며 긴 일관성 시간과 높은 충실도 측정으로 유명하지만 초전도 큐비트보다 훨씬 느립니다.
  • 양자점: 양자점은 단일 전자를 포착하여 큐비트로 사용하는 소형 반도체로, 확장성 및 기존 반도체 기술과의 호환성 측면에서 유망한 잠재력을 제공합니다.
  • 광자: 광자는 개별 빛 입자입니다. 양자 큐비트를 만들고 광섬유 케이블을 통해 장거리에 걸쳐 양자 정보를 보내는 데 사용할 수 있습니다. 양자 통신 및 양자 암호화에 사용되고 있습니다.

양자 컴퓨팅 사용 사례

양자 컴퓨터는 변수가 많은 복잡한 특정 문제를 해결하는 데 탁월합니다. 신약 개발부터 반도체 개발의 발전, 복잡한 에너지 문제 해결에 이르기까지 양자 컴퓨팅은 여러 주요 산업에서 혁신의 열쇠가 될 수 있습니다.

  • 제약 – 분자 행동과 생화학 반응을 시뮬레이션할 수 있는 양자 컴퓨터는 생명을 구하는 신약과 치료법의 연구 개발 속도를 높일 수 있습니다.
  • 화학 – 양자 컴퓨터가 의학 연구에 영향을 미칠 수 있는 것과 같은 이유로 위험하거나 파괴적인 화학 부산물을 완화하기 위한 아직 발견되지 않은 솔루션을 제공할 수도 있습니다. 양자 컴퓨팅은 석유화학 대안을 가능하게 하는 개선된 촉매 또는 기후를 위협하는 배출에 대처하는 데 필요한 탄소 분해에 대한 더 나은 프로세스로 이어질 수 있습니다.
  • 머신 러닝 – 인공지능(AI) 및 머신러닝과 같은 관련 분야에 대한 관심과 투자가 증가함에 따라 연구자들은 AI모델을 새로운 극단으로 끌어올리며 기존 하드웨어의 한계를 테스트하고 엄청난 에너지 소비를 요구하고 있습니다. 양자 알고리즘이 데이터 세트를 새로운 방식으로 바라볼 수 있어 일부 머신 러닝 문제에 속도 향상을 제공할 수 있다고 생각할 만한 이유가 있습니다.

 

양자 컴퓨터는 과학과 기술의 패러다임을 근본적으로 변화시킬 잠재력을 가지고 있습니다. 그 혁신적인 계산 능력은 기존의 컴퓨터로는 해결할 수 없는 복잡한 문제들을 풀 수 있는 기회를 열어줍니다. 그러나 아직 해결해야 할 기술적, 이론적 도전들이 많아 상용화까지는 시간이 필요할 것입니다. 그럼에도 불구하고, 양자 컴퓨터의 발전은 미래의 다양한 산업 분야에서 새로운 혁신을 이끌어낼 가능성을 내포하고 있으며, 이를 위해 전 세계의 연구자들이 끊임없이 노력하고 있습니다. 결국, 양자 컴퓨터가 현실화되는 순간은 단순한 기술의 진보를 넘어서, 인류의 사고방식과 문제 해결 방식을 근본적으로 바꾸는 전환점이 될 것입니다.

출처: https://www.ibm.com/kr-ko/think/topics/quantum-computing

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