양자역학 용어정리

IBM의 양자컴퓨터 `퀀텀`의 모습

1. 양자우위란 ?

 

간단하게 말해서 양자우위란 ( quantum supermacy ) 란 양자 컴퓨터가 최고의 기존 컴퓨터 보다 우수한 성능을 보인 순간을 의미한다. 

그렇다면 기존컴퓨터의 성능은 무엇을 의미하고, 양자컴퓨터의 성능은 정확히 무엇을 의미할까? 

 

두 컴퓨터의 성능을 알기 위해서는 우선 큐비트(qubit), 양자비트(quantum bit) 에 대해서 알아야 한다. 일반 컴퓨터는 정보를 0과 1의 비트단위로 처리하고 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 0과 1을 동시에 나타낼수 있는 큐비트를 사용한다. 

즉, 0,1 두개를 가지고 10,01,00,11 이렇게 4가지 상태가 가능하다. 3개의 큐비트라면 8가지 상태를 중첩시키는 것이 가능하며, n 개의 큐비트는 2의 n 제곱만큼 중첩시키는 것이 가능하다. 

 

2. NISQ란? 

 

( Noisy intermediate-Scale Quantum ) NISQ 는 노이즈가 있는 중간 규모의 양자컴퓨터 라는 말이다. 앞으로 등장하게 될 양자컴퓨터는 더 이상 작다고 말하기는 힘들지만, 여전히 오류를 보정하지 못해서 오류가 많이 날 것이라는 사실을 표현하는 말이다. 

 

그렇다면 양자컴퓨터에게서 발생하는 오류란 무엇을 의미할까?

미시세계 입자들은 주변 상황에 민감하게 반응하고 상호작용도 워낙 많은데다가 주변과 완전한 차단도 불가능하다. 1을 입력해도 0으로 변하며, 반대도 가능하다. (약간의 온도나 자기력, 전기력 등 수많은 요소가 양자에 영향을 끼친다. ) 또한 단순히 0이나 1에 대한 오류뿐 아니라, 수많은 중간단계를 바로잡을 알고리즘이 필요한데, 위 알고리즘을 적용할려면 수많은 슈퍼컴퓨터가 필요하다고 한다. 현재 큐빗은 1%의 오류를 가지고 있으며, 실용화될려면 99.99999999% 의 정확도를  가지고 있는 큐비트 시스템을 만들어야 한다.

 

다시 본론으로 돌아가서 53개의 큐비트로 양자우위를 달성한 현시대를 의미하는것이 아닌가 생각해본다. 즉 , '중간 규모'의 양자컴퓨터를 말하는 것이며 이는 '노이즈가 있는' 이라는 한계를 가지고 있는데 , 범용적으로 이용되기 위해서는 어떠한 방식으로 변화되어야 할까?

    위에 대한 탐구를 하기 위해서는 "양자 오류보정" 과 "오류 감지" 라는 개념에 대한 이해가 필요하다. 

기존의 고전적인 연산에서는 오류가 발생하는 확률을 줄이는 쉬운 해결책과 같은 정보를 반복해서 저장한 다음에 연산할때마다 불일치하는 정보들이 있는지 살펴보는 것이다. 그러한 정보들이 포착되면 다수결을 통해서 높은 확률로 쉽게 오류를 고칠수 있다. 

   하지만, 고전컴퓨터에서 사용하는 방식을 양자 컴퓨터에 적용하는 데에는 몇가지 문제점들이 있다. 

         - 양자역학적인 상태를 복사할수 없다. 

         - 양자상태를 측정하면 붕괴하게 된다. 

이러한 문제점들이 존재하지만, 

"쇼어" 는 양자역학적인 상태를 붕괴시키지 않으면서도 오류의 발생여부를 확인할수 있는 방안을 마련했다. 두 개의 큐빗의 상태를 완전히 측정하지 않으면서도 둘이 같은 비트를 가지고 있는지 혹은 다른 비트를 가지고 있는지 알아내었고 ,사람들은 오류가 일어날 확률을 줄일수 있다는 사실을 알게 되었다. 

 

하지만 오류가 발생하였음에도 확인 과정에서 문제가 생겨서 이를 발견하지 못한다면 어떻게 될까?

고전컴퓨터에서도 오류가 발생했는지 확인하는 과정을 여러번 하였다. 양자컴퓨터에서도 사람들은 비슷한 아이디어를 이용하여 유사한 결과를 도출해 내었다. 즉, 결함 감내 시스템이라는 것은 오류가 발생하고, 오류를 검사하는 과정에서도 오류가 발생한다고 해도 연산에서 생기는 오류를 많이 줄일수 있다는 것이다. 

 

 

 

● 용어정리 

 - 양자란 ?

 

더 이상 나눌수 없는 에너지의 최소량의 단위, 복사 에너지에서 처음 발견하여 '에너지 양자'라고 불렀으며, 그것이 빛으로서 공간을 진행할 경우 '광양자' 라고 한다. 

 

양자의 특징 3가지 

 

1. 어떤 입자가 공간에서 하나 이상의 영역에서 위치가능

2. 입자이면서, 파동이다 그러나 동시에 두가지 상태를 가지지 않는다. 

3. 관찰할수 있으나, 관찰하는 순간 파동성이 사라지고, 입자만으로 존재한다. 관찰하지 않을시 다시 파동성을 회복한다. 

 

 

 

-출저 

- 존프레스킬 교수님 , Quantum Magazine, 김한영 박사님 

- 사진출저