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IBM 양자 컴퓨터 클로즈업

게시일: 2024년 3월 28일
기고자: Josh Schneider, Ian Smalley

큐비트(Qubit)란 무엇인가요?

큐비트 또는 양자 비트는 양자 컴퓨팅에서 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 정보의 기본 단위이며 기존 컴퓨터에서 정보를 이진으로 인코딩하는 데 사용하는 기존 비트와 동일한 양자로 가장 잘 이해할 수 있습니다.

'큐비트'라는 용어는 미국의 이론 물리학자인 벤자민 슈마허(Benjamin Schumacher)의 이름에서 유래했습니다. 큐비트는 일반적으로 광자, 전자, 포획 이온, 초전도 회로, 원자 등의 양자 입자(물리적 우주에서 가장 작은 것으로 알려진 구성 요소)를 조작하고 측정하여 생성됩니다. 

양자 역학의 고유한 특성으로 구현되는 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용하여 기존 비트보다 더 많은 데이터를 저장하고, 암호화 시스템을 크게 개선하며, 기존 슈퍼컴퓨터조차도 완료하는 데 수천 년이 걸리거나 혹은 아예 완료할 수 없는 매우 진보된 계산을 수행합니다.

큐비트로 구동되는 양자 컴퓨터는 암 및 기타 의학 연구, 기후 변화, 머신 러닝, 인공 지능(AI)을 비롯한 인류의 가장 어려운 문제를 해결하는 데 중추적인 역할을 할 것입니다. 

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양자 컴퓨팅 이해

차세대 컴퓨팅 성능을 대표하는 양자 컴퓨팅은 양자역학의 원리를 활용하는 컴퓨터 하드웨어 및 알고리즘을 비롯한 특수 기술을 사용하여 기존의 컴퓨터 또는 슈퍼컴퓨터가 전혀 해결할 수 없거나 빨리 해결할 수 없는 복잡한 문제를 해결합니다.

1980년대에 처음 제안된 양자 컴퓨터 개발은 순수 이론에서 실제 하드웨어 응용 프로그램에 이르기까지 먼 길을 거쳐왔습니다. 오늘날 IBM Quantum은 30년 전 과학자들이 상상만 하던 도구인 실제 양자 하드웨어를 수십만 명의 개발자가 사용할 수 있도록 합니다.  

물리학자와 엔지니어는 어려운 문제에 부딪히면 슈퍼컴퓨터를 찾습니다. 그러나 슈퍼 컴퓨터조차도 20세기 트랜지스터 기술에 의존하는 이진 코드 기반 기계로서, 매우 복잡한 문제를 해결하는 데 어려움을 겪고 있습니다. 이러한 기존 컴퓨터는 과열과 같은 물질적 제약으로 인해 정보 처리 능력에 상당한 제한을 받습니다. 분자 내 개별 원자의 모델링과 같이 어떤 규모에서든 기존 컴퓨터로는 해결할 수 없는 복잡한 문제가 몇 가지 있습니다.

양자 역학의 법칙은 자연 세계의 질서를 결정합니다. 양자 비트의 양자 상태를 사용하여 계산을 수행하는 컴퓨터는 수많은 상황에서 이를 이해하고 해결하기 위한 최고의 도구가 되어야 합니다. 

양자 컴퓨터를 연구할 때는 양자 역학이 기존의 물리학과 다르다는 점을 이해해야 합니다. 자연 세계에 대한 대부분의 상식적인 패러다임에는 직관적이지 않은 양자 입자의 거동을 이해할 수 있는 설명이 부족하기 때문에, 양자 입자의 거동을 설명하는 것이 어렵습니다. 

큐비트와 비트 비교

비트와 큐비트에는 다양한 유형이 있지만, 모든 큐비트는 양자 물리학 법칙을 따라야 하며 양자 중첩 상태로 존재할 수 있어야 합니다.

기존 비트는 0 위치 또는 1 위치에만 존재할 수 있습니다. 그러나 큐비트는 '중첩'이라고 하는 세 번째 상태를 차지할 수도 있습니다. 중첩은 0, 1, 그 사이의 모든 위치를 한 번에 가져와서 총 3개의 개별 위치를 나타냅니다.

큐비트는 세 개의 개별 위치를 인코딩할 수 있지만, 여전히 이진 시스템을 통해 정보를 전달하는 데 사용됩니다. 이러한 시스템에서 비트는 0 또는 1을 나타내는 데 사용되는 자재나 프로세스 또는 해당 비트(즉, 0 또는 1)의 측정값을 나타낼 수 있습니다. 

비트 이해

기존 컴퓨팅에서 단일 비트는 0 또는 1로 표기되는 이진 정보로 생각할 수 있습니다. 최신 컴퓨터는 일반적으로 비트를 전압 또는 전류 펄스(또는 플립플롭 회로의 전기적 상태)로 표현합니다.

이러한 시스템에서는 전류가 흐르지 않으면 회로가 꺼진 것으로 간주할 수 있으며 이 상태를 0으로 표시하고, 전류가 흐르면 회로가 켜진 것으로 간주하며 이 상태를 1로 표시합니다.

'비트'라는 용어 자체가 '이진수'의 합성어이며, 이진수는 모든 컴퓨팅의 기본입니다. 디지털 비디오 녹화, 3D 모델 애니메이션, 계산기 앱 사용 등 운영 체제부터 소프트웨어에 이르기까지 모든 데이터는 비트의 집합인 이진 코드로 구성됩니다. 컴퓨터 바이트는 8비트로 구성되며, 이는 단일 텍스트 문자를 이진수로 전달하는 데 필요한 최소 비트 수입니다. 

예를 들어, 실리콘 칩에 전류를 흐르게 하거나 흐르지 않게 하여 비트를 전기적으로 표현할 수 있습니다. 구식 펀치 카드 컴퓨팅에서 사용된 것처럼, 비트는 종이에 구멍이 있거나 없는 것처럼 물리적으로 표현될 수도 있습니다. 시스템 상태가 두 가지 잠재적 위치(예: 위 또는 아래, 왼쪽 또는 오른쪽, 켜짐 또는 꺼짐) 중 하나만으로 설명될 수 있는 2단계 시스템은 비트를 나타내는 데 사용할 수 있습니다. 

큐비트 이해

양자 기술은 이진 코드를 사용하지만, 큐비트와 같은 양자 시스템에서 파생된 양자 데이터는 기존 비트와 다른 방식으로 데이터를 인코딩하며, 몇 가지 놀라운 장점이 있습니다. 연구자들은 큐비트를 생성하거나 자연적으로 발생하는 양자 시스템을 큐비트로 사용하는 다양한 방법을 확립했습니다. 그러나 거의 모든 경우에서 양자 컴퓨터는 큐비트를 분리하고 간섭을 방지하기 위해 극도의 냉각이 필요합니다. 

이론적으로는 모든 2단계 양자 시스템을 사용하여 큐비트를 만들 수 있습니다. 양자 시스템은 특정 시스템의 속성을 위 또는 아래 같은 이진 위치로 측정할 수 있는 경우 2단계로 설명합니다. 다단계 양자 시스템을 사용하여 큐비트를 생성할 수도 있습니다. 해당 시스템의 두 가지 측면을 효과적으로 격리하여 이진 측정을 생성할 수만 있다면 가능합니다. 기존 컴퓨터가 펀치 카드 컴퓨팅을 위해 종이에 구멍을 뚫거나 뚫지 않는 방법과 전류, 전하 등 여러 유형의 비트를 사용할 수 있는 것처럼 양자 컴퓨터도 여러 유형의 비트를 사용할 수 있습니다. 특정 비트는 특정 기능에 더 적합하며, 고급 양자 컴퓨터는 다양한 연산을 수행하기 위해 비트 유형의 조합을 사용할 가능성이 높습니다.

각 비트는 0 또는 1을 나타낼 수 있으므로 두 비트의 정보를 쌍으로 연결하여 최대 4개의 고유한 이진 조합을 만들 수 있습니다.

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각 비트는 0 또는 1일 수 있지만 단일 큐비트는 0, 1 또는 중첩일 수 있습니다. 양자 중첩은 실제로 큐비트 상태의 확률을 나타내기 때문에 0과 1로 설명되거나 또는 0과 1 사이의 모든 가능한 상태로 설명될 수 있습니다. 

양자 수준에서 큐비트 확률은 파동 함수로 측정됩니다. 큐비트의 확률 진폭은 두 개 이상의 데이터 비트를 인코딩하는 데 사용할 수 있으며, 다른 큐비트와 결합하면 매우 복잡한 계산을 수행할 수 있습니다.

큰 소수를 인수분해하는 것과 같은 복잡한 문제를 처리할 때 기존의 비트는 많은 양의 정보를 보유함으로써 바인딩됩니다. 양자 비트는 이와 다르게 동작합니다. 큐비트는 중첩을 보유할 수 있으므로 큐비트를 사용하는 양자 컴퓨터는 훨씬 더 많은 양의 데이터를 계산할 수 있습니다. 

비트와 큐비트를 쉽게 이해할 수 있도록 비유를 들어보겠습니다. 복잡한 미로의 중심에 서 있다고 상상해보세요. 미로를 탈출하기 위해 기존 컴퓨터는 출구를 찾기 위해 가능한 모든 경로 조합을 시도하는 '무차별 대입' 방식으로 문제를 풀어야 합니다. 이런 종류의 컴퓨터는 비트를 사용하여 새로운 경로를 탐색하고 어떤 경로가 막다른 길인지 기억합니다.

이에 비해 양자 컴퓨터의 해결 방식을 비유적으로 설명하자면, 미로의 조감도를 한 번에 도출하여 여러 경로를 동시에 테스트하고 올바른 해법을 찾아낼 수 있습니다. 그러나 큐비트는 한 번에 '여러 경로를 테스트'하지 않습니다. 대신 양자 컴퓨터는 큐비트의 확률 진폭을 측정하여 결과를 결정합니다. 이러한 진폭은 파동처럼 작동하기 때문에 서로 겹치고 간섭하기도 합니다. 비동기 파동이 겹치면 복잡한 문제에 대한 가능한 해결책을 효과적으로 제거하고 실현된 결맞음 파동이 해결책을 제시합니다. 

양자 얽힘이란 무엇인가요?

아인슈타인이 '원거리에서 발생하는 오싹한 현상'이라고 처음 기술한 양자 얽힘은 두 큐비트(또는 둘 이상의 양자 입자)가 서로 얽혀 있어 입자 사이의 거리에 관계없이 한 입자의 상태를 다른 입자의 상태와 독립적으로 설명할 수 없는 현상입니다. 

큐비트 두 개가 얽히면 둘 중 하나가 측정될 때까지 둘 다 중첩에 존재합니다. 이 현상이 일단 관찰되면 두 큐비트의 양자 중첩이 붕괴되고 관찰되지 않은 큐비트는 관찰된 큐비트와 반대 위치에 있다고 가정합니다.

예를 들어, 얽힌 큐비트 쌍의 절반이 1 위치에서 측정되면 다른 큐비트는 즉시 0으로 측정될 수 있습니다. 우리가 이 현상에 대해 잘 알지 못하는 것만큼 양자 얽힘의 의미는 방대합니다. 기존의 비트는 얽히지 않는다고 말하는 것으로 충분합니다. 이런 식으로 얽힌 큐비트는 빛의 속도보다 빠르게 광년을 가로질러 정보를 전송할 수 있는 것처럼 보입니다. 큐비트가 실제로 빛보다 빠르게 데이터를 전송하지는 않지만, 양자 얽힘은 양자 회로의 성능을 크게 증가시킬 수 있습니다. 

다양한 유형의 큐비트와 각각의 장점

어떤 2단계 양자 시스템이라도 큐비트를 생성하는 데 사용할 수 있기 때문에 현재 연구자들이 개발 중인 큐비트의 종류는 매우 다양하며, 특정 큐비트는 특정 애플리케이션에 더 적합합니다.

초전도

극저온에서 작동하는 초전도 물질로 만들어진 초전도 큐비트는 마이크로파 펄스로 조작되며, 비교적 견고한 결맞음 때문에 양자 컴퓨터 과학자들이 가장 선호하는 큐비트입니다. 

포획 이온

정교한 레이저 기술을 사용하여 포획 이온 입자를 큐비트로도 사용할 수 있습니다. 포획 이온 큐비트는 긴 결맞음 시간과 높은 충실도의 측정에 적합합니다. 

퀀텀닷

퀀텀닷은 단일 전자를 포착하여 큐비트로 사용할 수 있는 소형 반도체입니다. 퀀텀닷 큐비트는 자기장을 사용하여 조작할 수 있으며, 잠재적인 확장성과 기존 반도체 기술과의 호환성으로 인해 연구자들에게 특히 흥미로운 분야로 꼽힙니다. 

광자

광자 큐비트는 개별 빛 입자의 방향 스핀 상태를 설정하고 측정하여 광섬유 케이블을 통해 양자 정보를 장거리 전송하는 데 사용할 수 있으며, 현재 양자 통신 및 양자 암호화에 사용되고 있습니다. 

중성 원자

일반적으로 발생하는 중성 원자는 양전하와 음전하의 이온 전하가 균형을 이루는 것으로 정의됩니다. 레이저를 사용하면 이러한 원자를 여러 여기 상태로 에너지로 충전할 수 있으며, 이 중 두 개를 사용하여 확장 및 연산에 적합한 큐비트를 만들 수 있습니다.

큐비트의 과제

큐비트는 강력하지만 매우 변덕스럽습니다. 큐비트가 작동하려면 절대 영도보다 몇 분의 1도만 높은 온도(우주 공간보다 더 차가운 온도)로 냉각해야 합니다. 

양자 입자는 큐비트로 기능할 수 있도록 충분히 제어될 때 결맞음을 갖는다고 합니다. 큐비트가 이 기능을 잃으면 '결어긋남'으로 설명됩니다. 기능 큐비트의 결맞음 상태를 만드는 데 필요한 고출력 냉각은 양자 컴퓨팅의 주요 과제입니다. 

가장 추운 조건에서도 큐비트 시스템은 일반적으로 결어긋남으로 인한 오류에 취약합니다. 다행히 알고리즘 양자 오류 수정이라는 새로운 분야의 발전은 이전에 취약했던 양자 시스템을 안정화할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 

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