[양자컴퓨터 - 01] 양자컴퓨터란 무엇인가?

1. 컴퓨터의 한계

지금까지 60년 정도 컴퓨터는 점점 진화하여 빠르게 계산할 수 있게 되었고 사용하기 쉬워졌습니다. 그러나 인간이 풀고 싶은 문제도 같은 속도로 점점 진화했습니다. 복잡한 3차원 물체의 시뮬레이션 및 양자 역학적 행동을 하는 물질의 시뮬레이션은 현재 최첨단의 컴퓨터를 사용해도 좀처럼 계산할 수 없습니다.

 

최근에는 블록체인이라는 기술이 주목을 받고 있으며, 이는 현존하는 컴퓨터로는 풀기 어려운 문제를 이용하여 만들어진 시스템입니다. 또한 머신러닝이라는 기술도 주목을 받고 있습니다. 이것 역시 계산하는데 많은 시간이 걸리는 문제를 해결해야 합니다.

 

따라서 현재의 컴퓨터 한계를 돌파하는 것은 매우 중요한 일이며, 이는 세상을 이롭게 할 것입니다. 그렇다면 어떻게 컴퓨터의 한계를 돌파할 수 있을까요? 그 대답 중 하나로 양자컴퓨터에 기대를 걸고 있는 것입니다.

 

양자컴퓨터에 의한 한계 돌파

 

2. 양자컴퓨터란 무엇인가?

양자컴퓨터는 차세대 고속 계산기로 연구개발이 진행되고 있습니다. 현대의 컴퓨터는 어려운 문제를 모두 해결할 수는 없지만, 그중 몇 개 만이라도 해결할 수 있다면 사회에 큰 영향을 줄 것으로 기대되고 있는 것입니다.

 

우선 양자컴퓨터는 무엇인가에 대해 간략하게 설명합니다. 양자 컴퓨터는 "양자 역학 특유의 물리적 상태를 적극적으로 사용하여 고속 계산을 실현하는 컴퓨터"라고 정의할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 '양자'는 양자 역학의 '양자'입니다.

 

양자 역학은 대학 수준에서 배우는 물리학의 하나로, 원자, 전자 등의 매우 작은 것들의 움직임을 설명하기 위해 개발된 이론입니다. 이 양자 역학에 의하면, 원자와 전자, 빛의 입자인 광자처럼 아주 작은 물질이나, 초전도 등의 매우 낮은 온도로 냉각된 물질에서는 우리가 보통 볼 수 없는 이상한 현상이 일어난다는 것으로 알려져 있으며, 실제로 실험으로 확인되고 있습니다.

 

예를 들어, 나중에 설명할 양자 역학 특유의 물리적 상태인 '중첩 상태'나 '양자 얽힘 상태'등이 실현되고 있습니다. 이러한 양자 역학 특유의 물리적 상태를 적극적으로 이용하여 컴퓨터를 만들자는 것이 양자컴퓨터입니다. 그러면 지금까지의 계산보다 강력한 양자 계산을 할 수 있게 됩니다.

 

이 양자 계산은 기존의 계산과는 본질적으로 다른 잠재력을 가지고 있음이 연구에 의해 밝혀지고 있습니다. 양자 컴퓨터의 개발은 '양자'를 고도로 제어하는 것으로, 종래의 컴퓨터의 한계를 돌파하는 컴퓨터를 만드는 것으로 물리학 및 공학의 새로운 도전입니다.

 

양자컴퓨터란?

 

3. 양자컴퓨터와 고전컴퓨터

양자컴퓨터와 일반 컴퓨터의 차이를 정리해봅시다. 우선 '계산'은 크게 2가지로 생각할 수 있습니다. 물리학의 한 분야인 고전 물리학에 기초한 고전 계산과 양자 물리학(양자 역학이라고도 함)에 따른 양자 계산입니다.

 

 

고전 물리학은 중학교나 고등학교 물리 수업에서 배우는 운동과 힘의 작용, 전자기의 성질 등을 다루는 물리학입니다. 한편, 양자 역학은 이과 대학 수준에서 배우는 '원자와 전자의 성격' 등을 다루는 물리학입니다. 이 두 물리학에 대응하여 2개의 계산이 존재한다고 생각할 수 있습니다.

 

그리고 양자 계산은 고전 계산의 상위 호환이며, 고전 컴퓨터로 풀 수 있는 문제는 모두 양자 컴퓨터로도 풀 수 있습니다. 이것은 고전 역학에서 다루는 현상은 모두 양자 역학(원리 상으로는)에서도 취급 가능하다는 것입니다.

 

또한 고전 컴퓨터는 해결하기 어려운 문제도 양자 컴퓨터라면 빠르게 해결할 수 있다고 이미 알려져 있습니다. 이것은 고전 물리학으로는 처리할 수 없는 현상까지 양자 역학에서는 다룰 수 있는 것으로 대응하고 있습니다.

 

물리학과 계산의 대응 관계

 

현재 양자컴퓨터에 딱 정해진 정의가 있는 것은 아닙니다. 따라서 이 설명에서는 위 그림과 같이 양자 컴퓨터를 정의했습니다. 여기서 주의해야 할 점은 일반 컴퓨터도 양자 역학적 현상을 이용한 반도체 소자(트랜지스터나 플래시 메모리 등)에 의해 움직이고 있습니다만, 처리 가능한 '계산'은 고전 물리학에 대응하는 '고전 계산'이라는 점입니다.

 

실현을 위해 사용되고 있는 물리현상과, 실제로 실현 가능한 계산은 명확하게 구별할 필요가 있으며, 양자 역학으로 설명되는 현상을 이용하고 있다고 해서 '양자 계산'이 가능한 것은 아닙니다. 그러나 양자 계산을 하기 위해서는 양자 역학으로 설명되는 현상을 고도로 제어하는 특별한 상태(양자 역학 특유의 물리적 상태)를 실현하는 것이 필수적입니다.

 

4. 양자컴퓨터의 종류

양자컴퓨터에도 여러 종류가 존재합니다. 양자 컴퓨터는 다음의 3가지로 구분하여 설명합니다.

(1) 만능 양자컴퓨터

만능 양자 계산을 할 수 있는 양자 컴퓨터입니다. 좀 더 자세히 설명하면 "임의의 양자 상태에서 다른 임의의 양자 상태로의 변환을 충분한 정밀도로 수행할 수 있는 컴퓨터"입니다. 임의의 양자 상태라는 것은, 임의의 복수 양자 비트를 말하며 이것을 원하는 상태로 충분히 높은 정밀도(100%는 어렵기 때문에)로 변환할 수 있는 것이 만능 양자컴퓨터라고 말할 수 있습니다.

 

또한 양자 비트의 수가 증가하여 변환이 복잡해지면 노이즈의 영향도 커지기 때문에 계산중 오류를 수정하는 기능(오류 내성)이 필요합니다. 오류 내성을 갖는 양자 컴퓨터를 "오류 내성 양자컴퓨터'라고 합니다.

 

(2) 비(非)만능 양자컴퓨터

만능 양자 계산은 할 수 없지만, 일부 양자 계산이 가능하여 고전 컴퓨터에 비해 우월한 양자 컴퓨터입니다. 현재 실현되고 있는 오류 내성이 없는 Noisy Intermediate Scale Quantum(NISQ)라는 양자 컴퓨터가 여기에 분류됩니다. 자세한 내용은 나중에 다시 설명하겠습니다.

 

(3) 비(非) 고전컴퓨터

양자 역학 특유의 물리 상태를 이용하여 계산하거나 또는 그것을 목표로 하는 컴퓨터로, 고전 컴퓨터에 대한 우위성이 나타나지 않는 컴퓨터입니다. 현재 개발되고 있는 양자 어닐러가 여기에 분류됩니다. 

 

위 3개의 컴퓨터가 '광의의 양자컴퓨터'라고도 말해지고 있으며 아래 표에 이러한 양자 컴퓨터의 특징을 정리하고 있습니다.

 

 

'광의의 양자 컴퓨터'는 양자 역학 특유의 물리적 상태를 이용하여 계산하는 점이 '고전 컴퓨터'와의 차이라고 할 수 있습니다. 이 '광의의 양자컴퓨터' 중에서 '비 만능 양자컴퓨터'와 '비 고전컴퓨터' 의 차이는, 계산 성능에 있어서 고전에 비해 양자우위가 있는지 여부입니다. 그리고 "비 만능 양자컴퓨터' 와 '만능 양자컴퓨터'의 차이는 양자 계산의 만능성이 있는지 여부입니다.