고전 컴퓨팅에서는 “비트”라는 용어가 정보의 단위를 나타내며, 하나의 정보 단위는 0과 1이라는 두 가지 상태 중 하나를 나타냅니다. 이는 곧 on, off 상태를 의미하며, 한 번에 0 또는 1 중 하나만 저장할 수 있습니다. 이러한 점이 고전적 비트와 양자 비트(큐비트) 간의 차이를 나타냅니다.
양자 컴퓨팅에서는 정보의 단위를 큐비트라고 하며, 이는 고전적 비트와 유사하게 0과 1의 기본 상태를 가집니다. 하지만 이러한 상태는 0과 1의 복잡한 선형 결합 형태로도 존재할 수 있습니다. 이를 중첩 원리라고 부르며, 이는 양자 역학의 기본적인 특징 중 하나로 고전적 비트와 큐비트의 주요 차이점입니다.
양자 역학에서는 중첩 원리로 인해 큐비트가 0과 1의 선형 결합 상태에 존재하지만, 측정을 통해 상태가 0 또는 1로 “붕괴”됩니다. 이 측정 과정은 궁극적으로 고전적 출력을 제공합니다.
큐비트는 고전적 비트와 마찬가지로 수학적 개념이며, 다양한 물리적 시스템을 통해 생성할 수 있습니다. 여기서 언급하는 큐비트는 양자 하드웨어에서 생성되는 방식에 대한 것입니다. 예를 들어:
- 초전도 큐비트
- 양자 점 큐비트
- Trapped 이온 큐비트
- 광자 큐비트
- 중성자 큐비트
- 위상학적 큐비트
트랩 이온 큐비트에는 이터븀, 베릴륨, 스트론튬 등이 사용됩니다. 양자 점에서는 트랩 전자의 스핀이 큐비트로 사용됩니다. 광자 큐비트는 빛의 입자를, 중성 원자 큐비트는 루비듐 또는 나트륨 원자를 활용합니다.
큐비트를 시뮬레이션하는 것은 기존 컴퓨터를 사용하여 양자 시스템의 동작을 모델링하고 시뮬레이션하는 것을 포함합니다. 고전적 컴퓨터는 직접적인 양자 계산을 수행할 수 없지만, 특화된 알고리즘과 소프트웨어 패키지를 사용하여 큐비트와 양자 회로를 시뮬레이션할 수 있습니다. 예를 들어:
- IBM의 Qiskit
- Google의 Cirq
- Microsoft의 Quantum Development Kit
이 플랫폼들은 양자 회로 시뮬레이션, 양자 알고리즘 실행 및 양자 상태 분석을 위한 도구와 라이브러리를 제공합니다.
큐비트의 계산 능력과 한계
큐비트는 특정 작업(예: 양자 병렬성)을 수행할 때 고전적 컴퓨터보다 지수적으로 빠르게 계산할 수 있습니다. 하지만 큐비트는 **디코히런스(환경 상호작용으로 인해 양자 상태가 붕괴되는 현상)**에 민감합니다. 이는 큐비트가 양자 상태를 유지할 수 있는 시간을 제한하며, 초에서 밀리초 단위에 이르는 경우가 많습니다.
예를 들어:
- 최근 연구에서는 단일 트랩 이온 큐비트의 디코히런스 시간이 약 5,500초로 추정되었습니다.
- 반도체 스핀 큐비트의 경우 초장기 디코히런스 시간이 10밀리초에 도달했습니다.
디코히런스는 양자 컴퓨팅에서 주요 오류 원인 중 하나이며, 계산 완료 전에 양자 상태를 기존의 우리가 이해하는 상태(0 or 1?)로 붕괴시켜 오류를 유발할 수 있습니다. 따라서 디코히런스를 관리하고 완화하는 것은 양자 컴퓨팅 분야의 주요 연구 과제입니다.
양자 오류 수정 및 내결함성 양자 컴퓨터 개발과 같은 다양한 기술이 이 문제를 해결하기 위해 연구되고 있습니다.