2023. 5. 13. 18:54ㆍ정보통신개론
오늘은 현대 컴퓨팅 기술의 미래를 열어갈 양자 컴퓨터에 대해 알아보려고 한다.
양자 컴퓨터는 전통적인 바이너리(이진법) 컴퓨터와는 다른 원리로 동작하며, 양자역학의 규칙을 활용하여 빠른 계산과 복잡한 문제 해결을 수행할 수 있는 새로운 형태의 컴퓨터 이다. 이 글에서는 양자 컴퓨터의 작동 원리와 응용 분야 등에 대해 살펴볼 예정이다.
양자 컴퓨터는 양자역학의 원리에 기반하여 동작된다. 이를 이해하기 위해 먼저 양자역학과 양자 비트 "큐비트"에 대해 알아보도록 하자.
양자역학의 대표적인 원리
불확정성의 원리는 양자역학의 핵심 개념 중 하나로, 양자적 시스템의 특성을 설명하는 원리이다. 이 원리는 양자입자나 양자 시스템의 위치, 운동량, 에너지 등의 물리적 특성을 동시에 정확히 측정할 수 없음을 의미한다.
일반적인 물리학에서는 물체의 위치, 운동량 등의 물리적 특성을 정확하게 알 수 있다고 가정한다. 하지만 양자역학에서는 이러한 물리적 특성이 정확히 측정될 때마다 양자 시스템이 특정한 상태로 결정되는 것이 아니라, 확률적으로 여러 가지 상태 중 하나로 결정된다는 원리다.
이를 이해하기 위해 "측정"이라는 개념이 중요하다. 양자 시스템을 측정하면, 그 결과는 확률적으로 나타나게 되며, 가능한 상태 중 하나로 결정되게 된다. 대표적인 예시로 슈뢰딩거의 고양이 실험이 있다.
계수기와 망치가 연결되어 계수기가 방사선을 감지하면 망치가 상자 안에 있는 병을 깨트려 병 안에 들어있는 독성물질이 흘러나오게 만든 어떤 상자가 있다고 가정하자. 이 상자에 고양이를 넣고 시간이 지나면 일반적으로 고양이는 죽는다고 생각할 것이다. 하지만 양자역학 원리에 따르면 이 상자를 열기 전에는 안에 있는 고양이가 살아있는 상태와 죽어있는 상태로 공존하고 있다는 것이다.
또, 이중 슬릿 실험을 보면 입자임과 동시에 파동이라는 "이중성"을 가지고 있다는 것을 이해할 수 있다.
한국어 자막도 제공하고 있으니 부담없이 볼 수 있다.
큐비트는 양자 컴퓨터의 기본 단위로, 전통적인 컴퓨터의 비트와는 다른 특성을 가지고 있다. 비트가 0 또는 1의 값을 가지는 반면, 큐비트는 양자역학의 원리에 따라 0과 1을 동시에 나타낼 수 있는 "중첩" 상태를 가질 수 있는 것이다. 이는 양자 역학의 "준비원리"에 의해 가능하며, 우리가 이해하는 동시에 존재하는 개념과는 다른 개념이다.
양자 컴퓨터에서 큐비트의 상태를 측정할 때, 중첩 상태에서 특정 값을 얻게 된다. 이 측정은 확률적으로 이루어지며, 측정 결과는 해당 큐비트의 상태에 대한 확률분포로 나타난다. 예를 들어, 큐비트가 0과 1을 동시에 나타내는 중첩 상태에 있다면, 측정 결과로 0 또는 1을 얻을 확률이 각각 나타나는 것이다.
양자 컴퓨터의 또 다른 중요한 특징은 양자 상호작용이다. 양자 컴퓨터는 큐비트 간에 양자 상호작용을 통해 병렬 처리와 빠른 계산 능력을 갖게 된다. 큐비트 간의 상호작용은 큐비트들 사이에 "암시적 연결"을 형성하며, 이를 통해 정보를 처리하고 연산을 수행한다. 상호작용은 큐비트를 측정하거나 제어하는 과정에서 일어나며, 정보의 처리와 저장, 복잡한 계산의 실행 등을 가능하게 한다.
기존의 2진법으로 작동하는 컴퓨터보다 월등히 빠른 성능을 내는 양자컴퓨터 이지만 해결해야할 문제점이 존재한다.
문제점
1. 오류율과 노이즈: 양자 컴퓨터는 노이즈와 오류에 민감하다. 양자 상태를 유지하는 것이 어렵기 때문에, 연산 중에 발생하는 오류율이 상당히 높을 수 있다. 이는 양자 비트인 큐비트의 불안정성과 양자 게이트 작동 시의 노이즈로 인해 발생한다.
2. 큐비트 수 제한: 현재의 양자 컴퓨터는 큐비트의 수가 제한적이다. 큐비트 수가 증가할수록 양자 컴퓨터의 계산 능력은 증가하지만, 큐비트의 상호작용과 관리가 복잡해지는 문제가 있기 때문이다.
3. 양자 상태의 유지와 복제: 양자 상태를 유지하는 것은 매우 어렵고 민감한 과정이다. 외부 환경의 간섭이나 양자 상호작용으로 인해 양자 상태가 손실되거나 파괴될 수 있다. 또한, 양자 상태의 복제도 도전적인 문제이다. 양자 정보를 정확하게 복제하거나 전달하는 것은 어려움이 있다고 한다.
4. 비용과 제조 기술: 양자 컴퓨터의 제조 및 구축은 현재로서는 매우 많은 비용이 든다. 큐비트의 안정성과 상호작용을 위한 기술적인 요구사항으로 인해 비용이 더욱 증가될 수 있다.
5. 보안과 개인정보: 양자 컴퓨터의 발전은 암호학과 보안 분야에 큰 영향을 미칠 수 있다. 양자 컴퓨터를 사용하여 기존의 암호화 시스템을 균열시킬 수 있는 가능성이 있기 때문에, 양자 컴퓨터의 발전과 함께 보안 시스템의 개선또한 필요하다.
양자컴퓨터가 이러한 문제점들을 가지고 있다고 해서 우리에게 그렇게 먼 미래는 아니다.
지금도 양자컴퓨터의 문제점들을 해결하기 위한 노력이 계속되고 있고 차근차근 그 문제점들을 해결해 나가고 있다.
양자컴퓨터를 사용하기 위해선 '초전도체' 라는 것을 이용해야 한다.
초전도체란 매우 낮은 온도에서 전기저항이 0에 이르러 초전도 현상과 마이스너 효과(반자성)가 일어나는 물질들을 말한다.
매우 낮은 온도를 유지해야 한다는 점에서 상용화에 큰 어려움을 겪고 있다.
하지만 과학은 계속 발전하고 있다.
올해 3월 미국 연구진이 20.5˚C에서 전기 저항이 0인 상온 초전도체를 개발했다.
또, 양자컴퓨터의 큐비트 수를 늘릴수록 오류가 쉽게 발생하는 문제점도 해결하기 위해 노력중이다.
스웨덴 연구진이 기존의 슈퍼컴퓨터와 양자컴퓨터로 둘 다 계산하고 그 차이값을 통해서 오류를 보정해 더 정확하게 만드는 연구 성과를 발표했다.
아래 영상을 보면 양자컴퓨터의 문제점이 해결하고 있는 것을 보여준다.
물론 아직까지는 양자컴퓨터가 많은 문제점들을 가지고 있어 상용화에 어려움을 겪고 있지만,
결국 양자컴퓨터는 이런 문제점들을 극복하고 우리들에게 큰 놀라움을 안겨 줄 것이다.
결국 우리가 사는 우주도 양자역학으로 이루어져 있는데 이렇게 매우 작은 세상을 탐구하고 관심을 가지는 것도 좋을 것 같다.
출처:
슈뢰딩거의 고양이 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
위키백과, 우리 모두의 백과사전. 산 고양이와 죽은 고양이가 상자 안에 공존하고 있다? 슈뢰딩거의 고양이(Schrödingers Katze)는 1935년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학의 불
ko.wikipedia.org
이중슬릿 실험 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전
위키백과, 우리 모두의 백과사전. -->
ko.wikipedia.org
TTA정보통신용어사전
한국정보통신기술협회(TTA)는 정보통신 기술 발전과 타 분야와의 기술 융합에 따라 무수히 생성되는 정보통신용어를 해설하고 표준화하여, 전문가뿐만 아니라 비전문가들도 올바르게 활용할 수
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