요새 양자컴퓨팅에 대한 관심도가 올라갔다.
구글에서 윌로우라는 양자컴퓨팅 프로세서를 출시(?)했고, 컴퓨팅 파워가 기존 프로세서와는 확연히 다르다는 것만 알고있지, 세부적으로 어떤 이론에 의해 어떤 기술적 배경으로 기존 컴퓨팅과 다른 것인지 정확히 이해하지 못했기 때문에 어느정도 세상에 큰 임팩트를 줄지 상상이 가지 않았다.
그렇기에 기본적인 개념에 대해 이해하고, 이를 투자에 활용할 수 있을지 검토하기 위한 목적으로 coursera 강의 하나를 청강하면서 내용을 정리해보려 한다.
기본적으로 일단 용어부터 정리.
| 용어 | 정의 |
|---|---|
| Quantum Mechanics | 원자단위의 에너지나 물질의 행동에 관한 물리역학. 미시세계에서 물질에 대한 동적움직임을 설명하고, 평소 우리의 일상생활과는 확연히 다르다. |
| Quantum Computing | 양자역학의 원리를 활용한 컴퓨팅. 일반적인 컴퓨터는 0 혹은 1로된 정보를 저장하는 bit를 이용하지만, 퀀텀컴퓨터는 qubit(큐빗)을 이용하는데, 큐빗은 0,1 혹은 동시에 두가지 상태를 모두 가질 수 있다고 한다. 이는 현재 가장 성능이 좋은 현대의 컴퓨터조차도 풀기 불가능한 문제를 다를 수 있도록 한다. |
| Quanta(singular: quantum) | The smallest indivisible unit of a physical property, like energy or light. 에너지와 빛과 같은 가장 작은 단위의 물리적 특성의 단위. |
| Qubit | 양자컴퓨팅에서 기본적인 정보의 단위로 특정한 상태로 존재한다. |
| Superposition | 0이나 1, 혹은 동시에 두가지 상태를 모두 가질 수 있는 큐빗의 능력. 기존의 0 or 1의 상태만 가질 수 있었던 bit와는 다름. |
| Entanglement (양자얽힘?) | A strange phenomenon where two qubits become linked, so that measuring one instantly affects the other, no matter how far apart they are. 두개의 큐빗이 링크되는 특이한 현상으로, 두개의 큐빗이 얼마나 떨어지있는지 관계없이, 하나의 큐비트을 측정하면 일시적으로 다른 큐비트에 영향을 준다. |
| Basis States | 양자 시스템의 기초를 형성하는 기본 상태 |
| Braket Notation | 양자 역학에서 양자 상태와 연산자를 나타내는 데 사용되는 수학적 형식 |
| Bloch Sphere | 큐빗 상태의 시각적 표현 |
| Quantum Cryptography | 검증 가능한 보안 통신 채널을 구축하기 위해 양자 역학의 원리를 활용하는 암호화 분야 |
| RSA Algorithm | 공개 키 암호화를 가능하게 하고 민감한 데이터를 보호하는 데 널리 사용되는 암호화 시스템(특정 보안 서비스 또는 목적에 사용되는 암호화 알고리즘 모음)의 기초 알고리즘 |
| Quantum Parallelism | 병렬 계산을 수행하고 기존 컴퓨터에서는 처리하기 힘든 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨팅 시스템의 기본 기능 |
| Quantum Error Correction | 잡음으로 인한 오류 및 결맞음으로부터 양자 정보를 보호하는 데 사용되는 일련의 기술 |
| Superconducting Qubits | 저항 없이 전기가 흐르는 상태인 초전도성을 활용한 특수 회로로 만들어진 양자 비트입니다. 이러한 회로는 인공 원자처럼 작동하며 동시에 여러 상태에 있을 수 있습니다. |
| Trapped ions | 힘(역)장에서 진동하는 작은 입자처럼 전자기장에 의해 제자리에 고정된 전하를 띤 원자입니다. 특정 상태가 정보를 저장하고 처리할 수 있는 양자 컴퓨팅과 같은 영역에서 사용됩니다. |
| NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) | 장치가 작고 오류가 발생하기 쉬운 양자 컴퓨팅의 현재 상태를 나타냅니다 |
양자 컴퓨팅의 히스토리
- 트랜지스터 발명 (1947): 벨 연구소에서 Bardeen, Shockley, Brattain이 개발한 트랜지스터는 전자기기의 소형화와 효율성을 이끌며 현대 컴퓨팅의 기반이 됨.
- 양자 역학의 기초: 20세기 초 Rutherford의 원자 모델, Bohr의 양자화된 에너지 수준, 그리고 Plank의 양자 이론 등 초기 연구들이 양자 세계를 이해하는 토대를 마련
- 아인슈타인의 광전효과 (1905): 빛이 에너지 패킷(광자)으로 존재한다는 이론을 통해 양자 이론을 입증하고 고전 물리학과 양자 물리학을 연결.
- 양자 역학의 발전 (1920년대): Heisenberg의 불확정성 원리와 Schrodinger의 파동 역학이 양자 현상을 연구하는 이론적 기반을 확립
- 양자 컴퓨팅의 출현: Richard Feynman의 1981년 강연은 양자 시스템의 효율적인 시뮬레이션을 위해 양자 컴퓨터의 필요성을 강조하며, 고전 컴퓨터의 한계를 지적.
- 1980~90년대 발전: Deutsch와 Shor 같은 선구자들이 양자 알고리즘과 암호화 기술을 개발하며 오늘날 혁신의 기초를 마련
- 현대의 양자 컴퓨팅: 의학과 소재 과학 등 다양한 분야에서 기존 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 해결하며 새로운 가능성을 열어가고 있습니다.
이 과정은 이론 물리학과 기술 혁신이 서로 긴밀히 연결되며, 양자 컴퓨팅이 복잡한 문제를 해결하고 우주의 비밀을 탐구하는 길을 여는 과정을 보여줌.
양자컴퓨팅과 고전컴퓨터 비교
- 고전 컴퓨팅의 특징
- 정보는 **비트(bit)**로 표현되며, 각 비트는 0 또는 1의 상태만 가질 수 있음.
- 연산은 순차적으로 진행되며, 단순한 계산에서 복잡한 알고리즘까지 비트를 조작하여 처리
- 양자 컴퓨팅의 특징
- 정보는 **양자 비트(큐비트, qubit)**로 표현되고, 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩(superposition) 상태를 이용.
- 큐비트는 병렬 연산이 가능하여 특정 작업에서 지수적인(exponential) 속도 향상을 꾀할 수 있음.
- 양자의 강력함 예시
- 복잡한 분자 시뮬레이션: 예를 들어, 카페인(24개 원자) 시뮬레이션은 고전 컴퓨터에서 2^{160}개의 비트가 필요하지만, 양자 컴퓨터는 160 큐비트만으로 가능.
- 최적화 문제: 여러 도시를 최단 경로로 연결하는 **외판원 문제(TSP)**에서 고전적 접근법은 도시 수가 증가할수록 계산량이 기하급수적으로 증가. 반면, 양자 컴퓨터는 병렬 처리를 활용하여 효율적으로 해결 가능.
- 제약 및 과제
- 양자 컴퓨터는 특정 작업에서만 유리하며, 모든 문제에 적합하지 않음
- 큐비트를 안정적으로 유지하고 오류를 보정하기 위해 정밀한 제어와 기술적 노력이 필요
결론적으로, 고전 컴퓨팅은 순차적으로 정보를 처리하는 반면, 양자 컴퓨팅은 양자 역학의 원리를 활용하여 병렬 처리와 특정 작업에서의 속도 향상을 가능하게 하는게 가장 큰 차이점.
양자 컴퓨팅에서의 양자 역학
양자역학에서 나오는 개념에 대해서 좀 더 알아보자.
1. 큐비트(Qubits): 기본 단위
큐비트는 양자 정보의 기본 단위로, 고전적 비트와는 달리 **중첩(superposition)**과 **얽힘(entanglement)**의 원리를 활용하여 계산을 수행합니다. 큐비트는 원자, 이온, 광자, 초전도 회로 등 다양한 물리적 시스템으로 구현됩니다. 이러한 시스템은 양자 역학의 독특한 성질을 이용하여 정보를 표현하고 조작합니다.
2. 양자 게이트와 회로
양자 게이트는 큐비트를 조작하는 기본 연산으로, 고전적 컴퓨터에서의 논리 게이트에 해당합니다. 주요 예로는:
- 하다마드 게이트(Hadamard Gate): 큐비트를 중첩 상태로 만듭니다.
- CNOT 게이트: 큐비트를 얽힘 상태로 연결합니다.
양자 회로는 이러한 게이트들을 조합하여 특정 계산을 수행하며, 이는 마치 지휘자가 오케스트라를 이끌어 복잡한 교향곡을 연주하는 것과 같습니다.
3. 양자 알고리즘
양자 알고리즘은 양자 역학의 원리를 활용해 고전 알고리즘보다 효율적으로 문제를 해결합니다. 주요 알고리즘은 다음과 같습니다:
- 쇼어 알고리즘(Shor’s Algorithm): 큰 정수를 빠르게 소인수 분해하며, 기존 암호 시스템의 보안을 위협할 수 있습니다.
- 그로버 알고리즘(Grover’s Algorithm): 정렬되지 않은 데이터베이스를 기존 방법보다 제곱의 속도로 검색할 수 있어 데이터 검색 및 처리 과정을 혁신합니다.
Quantum Error Correction
양자 시스템은 고유적으로 디코히어런스(decoherence – 외부적인 영향으로 양자 얽힘과 양자 중첩이 사라지는 현상?)??와 양자 잡음(quantum noise)으로 인해 오류가 발생하기 쉽습니다. 양자 오류 수정 기술은 양자 계산의 안정성과 신뢰성을 유지하는 데 필수적입니다. 이러한 기술은 얽힘(entanglement)과 중복(redundancy)의 원리를 사용하여 오류를 감지하고 수정하며, 정확한 계산을 보장합니다. 예를 들어, 표면 코드(surface code)는 널리 연구된 오류 수정 코드로, 논리적 정보를 여러 물리적 큐비트에 분산시켜 큐비트를 직접 측정하지 않고도 오류를 수정할 수 있게 합니다.
기술적 과제와 미래 방향
양자 컴퓨팅의 가능성에도 불구하고, 해결해야 할 여러 기술적 과제가 남아 있는데, 고전적 컴퓨터를 능가하는 범용적인 양자 컴퓨터는 아직 개발 중이고 주요 과제는 다음과 같음.
- 큐비트 안정성: 신뢰할 수 있는 양자 계산을 위해 큐비트의 디코히어런스를 오랜 시간 유지하는 것이 중요합니다.
- 오류 수정: 디코히어런스와 양자 잡음의 영향을 완화할 효율적인 오류 수정 방법의 개발이 필수적입니다.
- 확장성: 더 많은 큐비트를 수용하면서도 제어와 안정성을 유지할 수 있는 양자 시스템 확장이 중요한 기술적 도전입니다.