1. 양자 컴퓨터의 기본 원리: 양자의 특성 [0]

thumbnail 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘이라는 양자역학적 특성을 활용하여 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 복잡한 문제를 해결한다.

1.1. 전자의 파동성과 입자성 [3]

  1. 전자의 이중성 [3]
    1. 전자는 크기가 없지만, 설명을 위해 공 모양 입자, 파동, 확률 구름 등으로 표현된다 [3].
    2. 전자를 파동으로 표현하는 것은 전자가 그곳에 존재할 확률을 함수로 나타낸 것이다 [7].
    3. 파동 함수는 가운데 부분에서 전자가 존재할 확률이 가장 높고, 가장자리로 갈수록 확률이 기하급수적으로 감소한다는 의미이다 [8].
  2. 관측과 파동 붕괴 [10]
    1. 전자는 파동으로 존재하다가 주변 환경과 상호작용하면 파동의 영역이 한 곳으로 줄어든다 [10].
    2. 파동이 한 곳으로 집중되면 그 위치에 존재할 확률이 높아져 결국 그 지점에서 전자가 검출된다 [11].
    3. 광자가 전자와 충돌하면 두 입자는 잠시 얽힘 상태가 되고, 광자는 전자의 위치 정보를 담고 밖으로 날아간다 [12].
    4. 전자의 여러 가능성 중 하나의 정보가 선택되어 환경으로 유출되면, 전자의 파동은 특정 위치에 집중되어 입자처럼 검출된다 [13].
    5. 전자가 여러 상태로 동시에 존재하는 것을 중첩이라고 하며, 전자의 정보가 외부 세계로 유출되어 한 점에서 흔적을 남기는 것을 관측이라고 한다 [15].
    6. 관측이 일어나면 전자의 비밀이 외부 세계로 퍼져 다시 중첩된 상태로 되돌릴 수 없다 [16].
    7. 물리학에서 관측은 어떤 시스템의 정보가 외부와 상호작용하여 확인 가능해지는 모든 과정을 의미한다 [17].
  3. 파동성 유지 조건 [20]
    1. 일상 환경에서 전자는 광자, 공기 분자, 먼지 등 물질로 가득 차 있어 주변과 상호작용하며 측정당하는 상태에 놓이므로 파동성을 유지하기 어렵다 [20].
    2. 전자의 파동성을 연구하려면 주변 환경의 방해를 최대한 차단하는 극저온이나 초진공과 같은 특수한 환경을 만들어야 한다 [23].
    3. 원자 내부의 전자들은 원자핵과 전자기력으로 강하게 상호작용하지만, 고유의 에너지 상태로 안정화되어 파동성을 유지한다 [25].
    4. 전자, 광자, 양성자, 중성자 같은 미시 입자와 이들이 모인 분자들은 모두 입자성과 파동성을 동시에 가진다 [29].
    5. 물질이 커질수록 공기나 빛 등 주변 환경과 상호작용할 확률이 급격히 커져 파동성이 빠르게 붕괴되고 입자로만 보이게 된다 [31].

1.2. 양자의 핵심 특성: 중첩, 얽힘, 터널링 [33]

  1. 파동의 간섭과 중첩 [33]
    1. 전자의 파동성은 이중 슬릿 실험으로 관측할 수 있다 [33].
    2. 전자가 슬릿을 통과할 때 파동의 일부만 통과하며, 파동의 진폭이 큰 영역을 지나는 전자는 슬릿 뒤에서 검출될 확률이 높다 [35].
    3. 전자가 스크린에 도달하면 형광 물질과 강한 상호작용을 하고 위치 정보가 외부로 퍼져나가 파동성은 붕괴되고 입자로 관측된다 [38].
    4. 파동과 파동이 만나면 간섭 현상을 일으킨다 [41].
      1. 두 파동의 산이 만나면 파동이 합쳐져 더 큰 파동이 되고, 산과 골짜기가 만나면 서로 상쇄되어 잠잠해지기도 한다 [42].
    5. 슬릿을 통과한 전자의 파동도 간섭을 일으켜, 파동이 보강된 곳에서 전자가 더 자주 검출되고 상쇄된 곳에서는 거의 관측되지 않는다 [44].
    6. 전자가 파동성을 유지할 때 여러 곳에 존재할 가능성을 갖고 퍼져 있는 성질을 중첩이라고 한다 [45].
    7. 중첩은 전자의 위치뿐만 아니라 속도, 에너지, 스핀과 같은 다양한 특성에도 적용된다 [47].
    8. 전자는 자기적 성질을 지니고 있어 작은 자석처럼 행동하며, 이를 스핀이라고 한다 [48].
    9. 전자의 자기장은 위쪽과 아래쪽 두 방향을 가지며, 각각 업 스핀과 다운 스핀이라고 부른다 [51].
    10. 전자의 스핀을 측정하면 위나 아래 둘 중 하나로 나오지만, 측정하기 전까지는 위인지 아래인지 딱 잘라 말할 수 없는 중첩 상태에 있다 [53].
    11. 전자의 에너지 레벨도 불연속적으로 정해져 있으며 중첩될 수 있다 [55].
    12. 이 특성 때문에 양자 컴퓨터에 사용되는 큐비트는 0과 1을 중첩시킨 후에 동시에 계산할 수 있다 [57].
    13. 중첩된 두 파동이 관측되면 파동이 축소되어 중첩이 사라지므로, 관측하기 전까지 중첩을 유지하는 것이 양자 컴퓨터에서 매우 중요하다 [58].
  2. 양자의 얽힘 [60]
    1. 얽힘은 두 입자가 서로 연결되어 마치 하나의 시스템처럼 행동하는 것을 말한다 [60].
    2. 한 입자의 상태를 알게 되면 다른 입자의 상태도 즉시 정해지기 때문에 이런 상태를 얽혀 있다고 표현한다 [62].
    3. 얽힘은 에너지가 높은 광자가 낮은 에너지를 갖는 두 개의 광자로 쪼개지거나, 두 개의 전자가 가까이 접근했다가 전자기력으로 튕겨 나올 때와 같이 어떤 상호작용이 있을 경우에 형성될 수 있다 [64].
    4. 얽힘을 이용하면 다수의 큐비트를 강력하게 연결하여 하나의 팀처럼 만들 수 있으며, 이는 양자 컴퓨터의 계산을 강화시킨다 [66].
  3. 양자 터널링 현상 [68]
    1. 양자는 자신이 넘을 수 없는 장벽을 확률적으로 통과할 수 있는데, 이를 양자 터널링 현상이라고 한다 [68].
    2. 양자가 장벽 앞에 있더라도 일부 파동은 장벽 너머에 존재하며, 진폭이 아주 작더라도 장벽 너머에 존재할 확률이 0이 아니기 때문에 장벽 밖에서 측정되면 터널링이 될 수 있다 [71].
    3. 이 현상은 양자 컴퓨터 회로에서도 적용되어, 초전도 물질 사이에 있는 절연체는 전기가 흐를 수 없지만 터널링 덕분에 통과할 수 있다 [73].
  4. 측정과 관측의 차이 [75]
    1. 측정은 장비를 이용해 양자의 물리량을 읽어내는 과정으로, 양자와 측정기 사이에 상호작용이 있어야 하며 파동 붕괴로 이어진다 [75].
    2. 관측은 파동이 붕괴되는 순간을 주로 측정이라고 부르고, 그 결과를 눈으로 보거나 장비에 기록되는 행위를 말한다 [78].
    3. 일상적으로는 측정과 관측을 거의 같은 뜻으로 사용하기도 한다 [79].

2. 양자 컴퓨터의 작동 방식: 큐비트와 양자 알고리즘 [80]

thumbnail 양자 컴퓨터는 큐비트의 중첩과 얽힘을 이용해 계산을 수행하며, 양자 게이트와 양자 알고리즘을 통해 복잡한 문제를 효율적으로 해결한다.

2.1. 큐비트의 구현: 초전도 방식 [80]

  1. 큐비트의 기본 원리 [80]
    1. 양자 컴퓨터에서 계산은 큐비트의 중첩과 얽힘을 이용하지만, 결과를 읽어오기 위해서는 측정을 통해 하나의 확정된 상태로 바꿔야 한다 [80].
    2. 중첩되어 있던 큐비트에 마이크로파 신호를 보내 상호작용을 일으키면, 큐비트는 0 또는 1 중 하나의 정보로 확정되고 그때 발생하는 신호를 읽어 계산 결과를 얻는다 [81].
    3. 큐비트는 작은 교란에도 파동이 붕괴되기 때문에, 결과를 측정하기 전까지 파동을 유지하는 것이 중요하며, 이를 위해 극저온이나 고진공 환경 유지, 외부 잡음 차단 등 많은 기술이 적용된다 [82].
  2. 초전도 방식 양자 컴퓨터 [84]
    1. 양자 컴퓨터를 만드는 여러 방법 중 하나는 초전도 방식이다 [84].
    2. 큐비트를 만드는 회로는 알루미늄과 같은 초전도 물질로 제작되며, 이 금속들은 특정 온도 이하에서 초전도 상태가 된다 [86].
    3. 회로를 초전도 상태로 만들기 위해 딜루션 냉동기를 이용해 이론상 가장 낮은 온도인 절대 온도 0도에 가깝게 온도를 낮춘다 [87].
    4. 온도가 낮아지면 원자들의 열적 진동이 거의 사라져 전자들이 방해 없이 자유롭게 퍼져 나갈 수 있으며, 그 결과 파동의 간섭이나 위상 변화와 같은 정밀한 현상들이 선명하게 드러난다 [88].
    5. 금속의 원자들은 전자를 내어놓고 양전하처럼 행동하며, 전자가 지나가면 주변에 양전하가 살짝 끌려와 일시적으로 양전하의 밀도가 높아진다 [94].
    6. 이 변형이 뒤따르는 다른 전자를 유인하여 격자를 매개로 한 간접적인 인력이 생기면서 두 전자가 느슨하게 짝을 이루는데, 이것을 전자쌍이라고 한다 [96].
    7. 전자쌍은 페르미온인 전자와 달리 보존이라는 입자처럼 행동하며, 같은 상태에서도 뭉치는 특성이 있어 하나의 덩어리, 하나의 파동처럼 같이 움직인다 [100].
    8. 초전도체 안의 수많은 전자쌍들은 함께 움직이므로 특정 전자가 방해를 받아도 전체가 함께 움직여 거의 저항 없이 흐르는 현상이 나타난다 [106].
  3. 트랜스몬 큐비트 [107]
    1. 초전도형 양자 프로세서에서 사용하는 큐비트 중 하나는 트랜스몬 회로이다 [107].
    2. 트랜스몬 회로는 0.1mm~1mm 정도로 눈으로 볼 수 있는 크기이지만, 절대 온도 0에 가까운 수준까지 냉각되고 외부 세계와 상호작용이 차단되면 회로 안의 전자쌍들이 하나의 양자로 묶여 집단적으로 이동하며 회로를 진동시켜 양자 상태로 만든다 [109].
    3. 트랜스몬 회로는 인공적으로 만든 원자이며, 조셉슨 접합과 커패시터로 구성되어 있다 [115].
      1. 조셉슨 접합은 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연층이 들어간 구조이다 [118].
      2. 커패시터는 서로 마주보고 있는 두 개의 금속 패드로 전하를 저장하는 장치이다 [120].
    4. 제어 공기를 통해 커패시터로 에너지를 주입하면, 마이크로파 신호가 커패시터 한쪽에 전압을 올려 양쪽 금속판에 전위차가 생기고 에너지가 저장된다 [123].
    5. 커패시터에 포텐셜 에너지가 쌓이면 전자의 터널링 확률이 높아져 전자들이 점차 반대편 커패시터로 이동하고, 이 과정이 반복되면서 트랜스몬 회로 전체에 전기적 진동을 만든다 [128].
    6. 트랜스몬 회로의 진동 역시 특정한 파동만 허용되므로 끊어진 에너지 준위만 가지며, 이 에너지 준위는 간격이 같지 않고 점점 촘촘해진다 [132].
      1. 기타줄이 특정 주파수에서만 진동이 유지되는 것처럼, 원자 속 전자들도 특정한 에너지에서만 유지될 수 있다 [133].
      2. 전자의 에너지는 연속적이지 않고 에너지 0, 에너지 1, 에너지 2처럼 끊어진 에너지 준위만 허용된다 [142].
      3. 낮은 준위에서는 전자가 핵에 단단하게 묶여 있어 다음 층으로 넘어가기 위해 큰 에너지가 필요하지만, 높은 준위로 올라갈수록 핵에서 멀어져 전기적 인력이 약해져 다음 준위로 뛰어오르는 데 필요한 에너지가 점점 줄어든다 [144].
    7. 트랜스몬 회로의 에너지 상태 중 가장 낮은 두 개만 계산용으로 사용하며, 가장 낮은 에너지 상태를 0, 그다음 에너지 상태를 1로 사용한다 [153].
    8. 바닥 상태에서 에너지를 약하게 쏘면 0과 1의 중첩 상태가 되고, 더 강하게 쏘면 1이 된다 [155].
    9. 에너지 레벨에 차이를 두는 것이 중요한 이유는 오직 0에서 1이 되는 변화만 선택적으로 제어하기 위함이다 [156].
  4. 공진기를 통한 큐비트 제어 및 측정 [160]
    1. 트랜스몬 회로는 공진기와 연결되어 있으며, 공진기는 큐비트의 에너지를 주입하거나 큐비트의 상태를 읽어내는 역할을 한다 [160].
    2. 큐비트에서 나오는 신호가 0인지 1인지 또는 중첩인지에 따라 공진기의 공진 주파수가 미세하게 달라지며, 이 신호를 외부 측정 장치에 전달하여 분석함으로써 큐비트의 상태를 알아낼 수 있다 [162].
    3. 공진기는 두 개 이상의 큐비트를 연결해 주는 통신 채널로 사용되기도 하며, 큐비트끼리 같은 공진기에 결합되어 있으면 서로 상호작용하여 얽힘 상태를 만들 수 있다 [163].

2.2. 양자 알고리즘과 게이트 [166]

  1. 양자 게이트의 역할 [166]
    1. 컴퓨터가 문제를 해결하는 절차를 알고리즘이라고 하며, 알고리즘을 작은 명령어로 쪼갠 것을 게이트라고 한다 [166].
    2. 고전 컴퓨터의 게이트는 0 아니면 1을 다루지만, 양자 게이트는 0과 1을 동시에 계산할 수 있으며 이것이 양자 컴퓨터의 핵심이다 [171].
    3. X 게이트는 큐비트의 상태를 바꾸는 명령어로, 0 상태였던 큐비트를 1로, 1이었던 큐비트를 0으로 바꿀 수 있다 [172].
    4. 이 동작은 트랜스몬 큐비트에 마이크로파 신호를 쏘는 방식으로 구현되며, 이 신호는 큐비트가 가진 특정한 에너지 준위 간격에 맞는 주파수를 가지고 있어 회로가 에너지를 흡수하거나 방출하도록 유도한다 [173].
    5. 큐비트의 상태를 정해진 방식으로 바꾸는 것이 양자 게이트이며, 그 하나하나가 양자 회로에서 계산을 수행하는 기본 단위가 된다 [175].
  2. 주요 양자 게이트 [176]
    1. H 게이트는 큐비트를 중첩 상태로 만드는 기본적인 양자 게이트이다 [176].
    2. 트랜스몬 회로에 정확한 진폭과 위상을 가진 마이크로파를 쏘아주면, 에너지가 0이었던 큐비트가 0과 1 사이에서 중첩된 에너지를 갖는다 [177].
    3. C-NOT 게이트는 두 개의 큐비트를 얽힘 상태로 만들어 준다 [179].
    4. 얽힘은 두 큐비트가 마치 하나에 연결된 파동처럼 행동하는 상태를 말하며, 측정하기 전까지 어떤 값인지 알 수 없지만 하나를 측정하면 다른 하나도 즉시 상태가 결정되는 현상이 나타난다 [180].
    5. 1번 큐비트에 H 게이트를 적용하여 중첩 상태로 만들면, 공진기와 연결된 2번 큐비트는 두 가지 주파수 상태와 연결되어 두 개의 가능성에 동시에 연결된 상태가 된다 [184].
    6. 1번이 0 성분일 때 2번 큐비트는 원래 상태인 0 상태가 유지되고, 1번이 1 성분일 때 2번 큐비트는 1 상태에 해당하는 주파수로 바뀌어 2번 큐비트 역시 0일 수도 있고 1일 수도 있는 조건부 상태가 된다 [190].
    7. 결과적으로 C-NOT 게이트는 0일 때 0, 1일 때 1이 함께 관측되는 얽힘 상태가 된다 [194].
  3. 그로버 알고리즘 [195]
    1. 그로버 알고리즘은 어떤 것이 정답인지 모를 때 고전적인 방식보다 훨씬 빨리 찾아주는 양자 알고리즘이다 [198].
    2. 예를 들어 비밀번호를 찾거나 여러 경로 중 가장 빠른 길을 찾는 문제에서, 고전적인 방식은 모든 경우의 수를 하나하나 시도해야 한다 [199].
    3. 그로버 알고리즘은 중첩 상태를 활용하여 모든 가능성을 동시에 계산할 수 있기 때문에 훨씬 더 빠르게 정답을 찾을 수 있다 [200].
    4. 4자리 비밀번호(0과 1로 구성)의 경우 가능한 조합은 0000부터 1111까지 총 16개이다 [201].
    5. H 게이트를 이용해 각 큐비트를 0과 1이 동시에 존재하는 중첩 상태로 만들면, 네 개의 큐비트는 16개의 가능성을 한 번에 표현한다 [204].
    6. 정답을 판단할 기준을 미리 회로에 입력해 두고, 이 기준을 만족하는 조합이 들어오면 해당 큐비트가 파동의 부호를 반대로 바꾸는 방식으로 표시된다 [206].
    7. 그 다음 파동들을 간섭시켜 정답인 파동만 강화하고 다른 파동은 상쇄시켜 작게 만든다 [209].
    8. 각 큐비트는 공진기와 연결되어 있으며, 공진기가 큐비트에 아주 작은 마이크로파 신호를 보내면 큐비트의 상태에 따라 반사되는 위상이 달라진다 [210].
    9. 이 과정에서 큐비트의 상태를 측정하게 되고 0 아니면 1 하나의 값으로 결정되며, 이런 계산을 1,000번 정도 반복하면 정답이 확률적으로 가장 많이 도출된다 [211].
    10. 고전 컴퓨터는 16번만 계산하면 되지만, 양자 컴퓨터는 1,000번이나 계산해야 하므로 4자리 비밀번호에서는 양자 컴퓨터가 느리다 [213].
    11. 하지만 양자 알고리즘은 주로 큰 자릿수 계산에 사용되며, 예를 들어 비밀번호가 40자리라면 가능한 조합은 1조 개가 넘는다 [214].
    12. 고전 컴퓨터의 경우 이를 하나하나 시도해야 하지만, 양자 컴퓨터는 약 100만 번 정도의 계산이면 충분하므로 40자리에 대한 계산은 양자 컴퓨터가 100만 배 정도 빠를 수 있다 [216].

2.3. 양자 컴퓨터의 구조 및 미래 [218]

  1. 양자 컴퓨터의 하드웨어 구성 [218]
    1. 40자리 계산을 하려면 최소 40개의 큐비트가 필요하며, 최신 양자 컴퓨터는 1,000개 이상의 큐비트가 들어 있다 [218].
    2. 하지만 에러 보정과 안전성이 담보되어야 하므로 단순히 큐비트 개수만 늘어나는 것 외에 많은 기술 발전이 필요하다 [220].
    3. 초전도형 양자 컴퓨터는 헬륨을 이용해 절대 온도 0에 가깝게 냉각시키며, 냉장고의 온도를 각 층마다 순차적으로 내려 맨 아래에 양자 프로세서가 들어 있는 층의 온도가 가장 낮다 [221].
    4. 믹싱 챔버는 헬륨 3와 헬륨 4가 천천히 희석되는 과정을 통해 열을 흡수하고 냉각기에서 가장 낮은 온도를 만든다 [223].
    5. 양자 프로세서 주변에는 마이크로파 신호를 전달하거나 읽어 들이는 선들이 있으며, 위쪽 선들은 주로 큐비트의 신호를 외부 컴퓨터로 전달하고 아래쪽 선은 외부 제어 장치에서 전달받은 마이크로파 신호를 큐비트에 전달한다 [224].
    6. 냉각기 내부에 설치된 많은 와이어는 마이크로파 신호의 통로 역할을 하며, 정보 손실 없이 마이크로파 신호를 큐비트에 전달하고 큐비트에서 읽어낸 신호를 고전 컴퓨터로 보낸다 [226].
    7. 각각의 단계마다 감세기를 설치하여 과도한 잡음이 들어가지 않게 신호의 세기를 조절하며, 큐비트 신호 증폭기는 큐비트의 신호를 증폭시키고 잡음을 최대한 제거한 후에 컴퓨터로 전달한다 [227].
  2. 양자 컴퓨터의 발전 방향 [229]
    1. 큐비트가 많을수록 발열이 커지기 때문에 냉동기의 크기도 커져야 하지만, 냉동기의 크기를 키우는 데 한계가 있어 최근에는 장비를 서로 연결하여 하나의 컴퓨터처럼 사용하려는 시도를 하고 있다 [229].
    2. 신호를 전달받은 고전 컴퓨터가 최종 계산을 수행하며, 양자 컴퓨터는 큐비트의 신호만 전달하고 최종 계산은 결국 고전 컴퓨터가 수행한다 [231].
  3. 국내 연구 현황 [233]
    1. 우리나라에서도 여러 대학과 정부 기관에서 양자 컴퓨터를 활발히 연구하고 있다 [233].