1. 양자 계산 모델의 종류
앞 절에서는 양자 컴퓨터의 하드웨어의 분류에 대해 설명했습니다. 한편, 계산에도 종류가 있으며, 여기서는 '만능형'과 '특화형'의 두 가지로 양자 계산 모델을 구분합니다. '계산 모델'이란 것은 어떻게 계산할 것인지 설명하는 모델입니다.
(1) 만능형
만능형은 모든 양자 계산을 작성할 수 있습니다. 양자 회로 모델이 대표적입니다. 이외에도 측정형 양자 계산, 단열 양자 계산, 토폴로지컬 양자 계산 등 계산량이 등가인 여러 모델들이 연구되고 있습니다.
- 양자 회로 모델
고전 컴퓨터에서 사용되는 '회로'와 '논리게이트' 대신 '양자 회로'와 '양자 게이트'를 이용하여 계산하는 모델입니다. 양자컴퓨터 연구의 초기부터 사용되고 있으며, 만능(Universal) 양자 계산을 설명할 수 있는 가장 표준적인 모델입니다.
(2) 특화형
특화형은 특정 계산을 설명할 수 있습니다. 대표적으로 양자 어닐링이라는 계산 모델이 있습니다. 양자 어닐링은 이징 모델의 기저 상태(나중에 다시 설명하겠습니다)를 계산하는 목적에 특화된 계산 모델이며, 이 이징 모델에 문제를 매핑하여 문제를 해결할 수 있습니다.
- 양자 어닐링
2011년에 D-Wave Systems이라는 캐나다 벤처 기업이 상용화하고, Google과 NASA가 연구에 참여하여 더욱 유명해졌습니다. 도쿄 공업대학의 '니시모리 히데토시'교수의 팀과 매사추세츠 공과대학의 에드워드 파르히(Edward Farhi)의 팀에 의해 이론적으로 제안된 양자 어닐링(카도와키 · 니시모리, 1998)과 양자 단열 계산(파르히 외, 2001)이 그 기반이 되고 있습니다. 이러한 계산 모델을 바탕으로 양자 어닐링에 특화된 전용 시스템 '양자 어닐러'에 의해 계산합니다.
2. 양자 컴퓨터의 작동 흐름
우선 양자 컴퓨터란 어떤 것인지 대략적인 이미지를 살펴보았으니, 양자 컴퓨터의 구조를 알아봅시다. 여기서는 구체적인 내부 동작이 아닌 동작의 흐름만 설명합니다.
우선 양자 컴퓨터 동작의 기본 흐름입니다. 위의 양자회로 모델과 양자 어닐링 모두에 해당되는 양자 컴퓨터의 공통적인 동작은 아래 그림과 같습니다. 양자 컴퓨터가 계산을 수행하는 방법은 아래의 3단계입니다.
1단계 : 양자 비트의 초기화
양자 컴퓨터는 양자 비트라는 계산의 최소 단위가 존재합니다. 고전 컴퓨터에서는 단순히 '비트'라고 불리던 것의 양자 버전입니다. 양자 컴퓨터는 이 양자 비트가 물리적으로 구현되어 있으며, 이를 이용하여 계산하는 것이 기본입니다. 따라서 우선은 이 양자 비트를 준비하고 초기화합니다.
2단계 : 양자적인 조작
양자 컴퓨터의 계산은 물리적으로 구현된 양자 비트를 조작하여 제공합니다. 양자 비트를 조작하는 방법은 양자 회로 모델에서는 '양자 게이트 조작' 양자 어닐링에서는 '어닐링 작업'이라고 합니다. 따라서, 양자 컴퓨터의 계산은 양자 비트에 대해 양자적인 작업을 하는 것으로 실현되는 것입니다.
3 단계 : 계산 결과 읽기
계산 결과를 얻기 위하여 양자 비트의 상태를 측정하여 계산 결과의 정보를 수집합니다. 양자 비트의 상태(양자 상태)는 부서지기 쉬우며, 계산 도중의 양자적인 작업을 수행하는 단계에서 불필요한 측정을 해 버리면 양자 상태가 손상돼, 계산중 실패해 버립니다(오산). 그래서 필요한 타이밍에 주의 깊게 측정해야 합니다. 이상의 3단계로 양자 컴퓨터에 의한 계산이 완료됩니다.
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