양자 컴퓨터(Quantum Computer)가 상상을 초월할 정도로 빠른 연산 속도로 인해 관심과 기대가 나날이 커지고 있다. 광자와 전자 등의 소립자, 원자와 분자 등의 미시적인 계를 다루는 양자역학의 물리적 현상에 뿌리를 둔 양자 컴퓨터가 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 이유는 무엇인가? 이 질문과 관련하여, 양자 컴퓨터에 적용되는 양자역학 관련 세 가지 핵심 기술인 중첩, 얽힘 및 간섭에 대해 살펴본다.
중첩(superposition)
기존 컴퓨터의 데이터 단위 비트(bit)는 프로그램에 따라 구동되는 반도체 회로에 의해 결정되는 결과에 따라 0 또는 1이 각각 100% 확률로 나타난다.
반면에, 양자 컴퓨터의 데이터 단위 큐비트(qubit)는 프로그램으로 구동되는 양자 회로(quantum circuit)에 의해 정해지는 결과에 따라 큐비트의 상태 |0> 과 |1>이 각각 A % 및 B % 확률(단, A+B=100)로 중첩되어 동시에 존재한다. 여기서, 양자 상태 |0>와 |1>의 확률밀도를 각각 a와 b라고 하면, 중첩 상태는 a|0>+b|1>와 같이 나타낼 수 있다. 또한, 확률은 확률밀도 크기의 제곱에 해당하므로 A=|a|² 및 B=|b|²와 같다.
예를 들면, 전자의 스핀이 아래로 향한 것을 |0>, 위로 향한 것을 |1>로 나타내고, 단일 큐비트의 양자 상태를 시각적으로 표현하기 위해 블로흐 구(Bloch sphere)를 활용하면, 기울어진 스핀의 각도에 따른 중첩 상태를 직관적으로 쉽게 확인할 수 있다.
다수의 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터의 경우, 각각의 큐비트는 독립적으로 정해지는 확률로 위에서 설명한 바와 같이 중첩될 수 있다. N 큐비트가 모두 제각각 중첩된 경우를 예로 들면, 전체적으로 2의n승 가지 상태가 동시에 존재하고, 병렬 연산을 적절히 적용하는 경우 처리 시간을 단축할 수 있다.
얽힘(entanglement)
복수의 큐비트가 양자적으로 서로 얽힌 경우, 어느 하나의 큐비트 상태를 측정한 결과에 따라 다른 모든 큐비트의 상태는 거리에 무관하게 동시에 결정이 된다. 기존의 반도체 기반의 컴퓨터에서 큐비트의 수만큼 연산을 반복해야 얻을 수 있는 결과를 한 번의 연산으로 얻을 수 있다는 것을 뜻한다. 따라서, 얽힘을 이용하여 짧은 시간에 답을 얻을 수 있는 알고리 즘을 짤 수 있다. N개의 큐비트로 구성되는 양자 컴퓨터의 경우, 아래와 같은 두 가지 종류의 얽힘 상태만 존재하는 것으로 알려져 있다.
(1) GHZ 얽힘 상태: N 큐비트 모두 동일한 |0>로 얽힌 상태와 모두 동일한 |1>로 얽힌 상태의 두 가지가 동일한 확률 50%로 중첩된 상태를 지칭한다. 만일, 어느 한 큐비트에 대해 |0> 또는 |1> 상태를 측정하는 경우, 나머지 모든 큐비트가 동시에 위 측정된 상태와 동일한 상태로 붕괴하고, 그 결과는 분리 가능 상태이므로 얽힘은 사라진다.
(2) W 얽힘 상태: N 큐비트 중 차례로 오직 하나의 큐비트만 |1>이고 나머지 (N-1) 개는 모두 |0>로 얽힌 상태로 총 N 가지가 모두 동일한 확률 (1/N)으로 중첩된 상태를 지칭한다. 만일, 어느 한 큐비트에 대한 상태를 측정하는 경우, (N-1)/N의 확률로 |0>의 결과가 나오고 1/N 확률로 |1>의 결과가 나온다. 후자의 |1>이 나온 경우는 관측된 |1>을 제외한 나머지 (N-1) 개의 큐비트의 상태가 동시에 모두 |0>의 곱으로 이루어진 상태로 붕괴하고, 그 결과는 분리 가능 상태이므로 얽힘이 사라진다. 반면에, 전자의 |0>이 측정된 경우는, 측정되지 않은 총 (N-1) 가지는 어느 한 큐비트만 |1>인 W 얽힘 상태가 1/(N-1) 확률로 중첩되어 유지된다. 대체로, 얽힘이 존속되는 정도는 GHZ 얽힘 상태보다 W 얽힘 상태가 높은 것으로 알려져 있다.
간섭(interference)
간섭은 특정 상태가 나타날 수 있는 확률을 높이는 보강간섭과 낮추는 상쇄간섭 통해 최종적으로 확률이 1에 근접하는 답을 구하는 목적으로 활용된다. 큐비트 상태의 확률밀도는 복소수이므로 상쇄간섭 연산이 가능하다.
양자 컴퓨터의 상용화를 위해서는 중첩과 얽힘을 오랫동안 유지하는 기술과 잡음 등에 따른 데이터 오류를 최소화하는 기술이 무엇보다 중요하다.
양자 컴퓨터란?
양자 컴퓨팅의 핵심 양자 컴퓨터는 양자역학의 원리를 활용하여 데이터를 처리하고 저장하는 혁신적인 컴퓨팅 기술입니다. 기존 컴퓨터는 비트라는 단위를 사용하여 정보를 저장하는 반면, 양자 컴퓨터는 큐비트라는 단위를 사용합니다. 큐비트는 0과 1의 상태뿐만 아니라 0과 1의 중첩 상태에 존재할 수 있으며, 얽힘이라는 현상을 통해 서로 연결되어 하나의 시스템처럼 작동할 수 있습니다.
이러한 양자역학적 특성을 활용하여 양자 컴퓨터는 다음과 같은 놀라운 성능을 발휘할 수 있습니다. 이러한 양자 컴퓨터는 특정 유형의 문제는 기존 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 해결할 수 있습니다. 그리고, 기존 컴퓨터로는 불가능했던 새로운 문제 해결 방법을 찾을 수 있습니다.
양자 컴퓨터의 기본 원리
1. 큐비트 (Qubit)
큐비트는 양자 컴퓨팅의 기본적인 정보 단위입니다. 일반적인 컴퓨터의 비트가 0 또는 1의 상태만 가질 수 있는 반면, 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩이라는 특성을 가지고 있습니다. 또한, 두 개 이상의 큐비트를 서로 연결하여 얽힘이라는 상태를 만들 수 있습니다. 얽힌 큐비트는 서로 멀리 떨어져 있어도 서로 영향을 주고받는 특성을 가지고 있으며, 이는 양자 컴퓨팅에서 매우 중요한 역할을 합니다.
2. 중첩 (Superposition)
중첩은 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 양자역학적 현상입니다. 이는 마치 동전이 던져질 때까지 앞면과 뒷면이 동시에 존재하는 것과 같습니다. 큐비트의 중첩 상태는 복소수를 사용하여 표현됩니다. 예를 들어, |0⟩와 |1⟩은 각각 0과 1의 상태를 나타내는 기본 큐비트 상태입니다. 그리고 |α⟩ = α|0⟩ + β|1⟩ (여기서 α와 β는 복소수)는 0과 1의 상태가 동시에 존재하는 중첩 상태를 나타냅니다. 중첩은 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 훨씬 빠른 속도로 계산을 수행할 수 있도록 하는 핵심적인 요소입니다.
3. 얽힘 (Entanglement)
얽힘은 두 개 이상의 큐비트가 서로 연결되어 하나의 시스템으로 작동하는 특성입니다. 얽힌 큐비트는 서로 멀리 떨어져 있어도 서로 영향을 주고받으며, 하나의 큐비트를 측정하면 다른 큐비트의 상태도 즉시 결정됩니다. 얽힘은 양자 컴퓨터에서 Shor 알고리즘과 같은 혁신적인 알고리즘을 구현하는 데 중요한 역할을 합니다.
4. 양자 게이트 (Quantum Gate)
양자 게이트는 큐비트의 상태를 변환하는 데 사용되는 연산입니다. 양자 게이트는 논리 게이트와 유사하지만, 큐비트의 중첩 상태를 유지하면서 작동하도록 설계되어 있습니다. 일반적인 양자 게이트로는 Hadamard 게이트, Pauli X 게이트, CNOT 게이트 등이 있습니다.
양자 컴퓨터와 기존 컴퓨터의 비교
| 구분 | 양자 컴퓨터 | 기존 컴퓨터 |
| 기본 단위 | 큐비트(0, 1, 중첩 상태) | 비트(0, 1) |
| 정보 처리 방식 | 양자역학적 원리 | 전자적 원리 |
| 장점 | 특정 문제 해결 속도 극대화, 새로운 알고리즘 개발 가능 |
다양한 문제 해결 가능, 상대적으로 안정적 |
| 단점 | 기술 개발 초기 단계, 오류 발생 가능성 높음 |
속도 제한, 특정 문제 해결 어려움 |
양자 컴퓨터의 주요 기술
1. 큐비트 제작
큐비트는 양자 컴퓨팅의 기본적인 정보 단위이며, 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있는 중첩 상태를 유지해야 합니다. 큐비트는 외부 환경으로부터 간섭을 받기 쉽고, 중첩 상태를 유지하는 데 어려움이 있습니다. 또한, 대규모 양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 수백만, 수십억 개의 큐비트가 필요하기 때문에 안정적이고 확장 가능한 큐비트 제작 기술 개발이 중요합니다. 현재 초전도, 이온 트랩, 광자 등 다양한 방식으로 큐비트를 제작하고 있습니다. 각 방식마다 장단점이 있으며, 아직 완벽한 큐비트 제작 기술은 존재하지 않습니다.
2. 오류 정정
양자 컴퓨터는 외부 환경으로부터 오류에 매우 민감합니다. 큐비트의 상태가 오류로 인해 변하면 계산 결과가 완전히 달라질 수 있습니다. 따라서 오류를 수정하고 정확한 계산 결과를 얻기 위한 오류 정정 기술이 필수적입니다. 양자 오류 정정은 매우 복잡한 기술이며, 기존 컴퓨터 오류 정정 방식과는 완전히 다른 접근 방식이 필요합니다. 또한, 대규모 양자 컴퓨터에 적용 가능한 실용적인 오류 정정 코드 개발이 중요합니다. 현재, 쇼어 코드, Reed-Solomon 코드 등 다양한 양자 오류 정정 코드가 연구되고 있습니다. 하지만 아직 실제 양자 컴퓨터에 적용되기까지에는 많은 어려움이 있습니다.
3. 양자 알고리즘
양자 알고리즘은 양자 컴퓨터의 특성을 활용하여 기존 컴퓨터로는 해결하기 어려운 문제들을 효율적으로 해결하는 알고리즘입니다. 양자 알고리즘은 아직 초기 단계이며, 실제 응용 분야에 적용될 수 있는 알고리즘 개발이 필요합니다. 또한, 양자 컴퓨터의 제한적인 규모와 오류 가능성을 고려한 실용적인 알고리즘 설계가 중요합니다. 현재 Shor 알고리즘, Grover 알고리즘, HHL 알고리즘 등 다양한 양자 알고리즘이 연구되고 있습니다.
4. 양자 소프트웨어
양자 소프트웨어는 양자 컴퓨터를 프로그래밍하고 제어하는 데 사용되는 소프트웨어입니다. 양자 알고리즘을 구현하고, 큐비트를 제어하며, 오류를 정정하는 기능을 제공합니다. 양자 소프트웨어는 양자 컴퓨팅의 개념을 이해하고, 양자 프로그래밍 언어를 사용할 수 있는 전문 인력이 부족합니다. 또한, 양자 컴퓨터의 특성을 고려한 새로운 소프트웨어 개발 도구와 환경이 필요합니다. 현재는 Qiskit, Cirq, Forest 등 다양한 양자 소프트웨어 플랫폼이 개발되고 있습니다. 하지만 아직 초기 단계이며, 양자 컴퓨터 프로그래밍을 보다 쉽고 효율적으로 하기 위한 노력이 필요합니다.
| 기술 | 정의 | 주요 과제 | 현재 기술 |
| 큐비트 제작 | 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위, 0과 1 및 중첩 상태 | 외부 환경 간섭, 중첩 상태 유지 어려움, 대규모 제작 어려움 | 초전도, 이온 트랩, 광자 등 다양한 방식 |
| 오류 정정 | 큐비트 오류 수정, 정확한 계산 얻기 위한 기술 | 복잡한 기술, 기존 방식과 다른 접근 방식 필요 | 쇼어코드, Reed-Solomon 코드 등 연구 진행 중 |
| 양자 알고리즘 | 양자 컴퓨터의 특성 활용 | 실용적인 응용 알고리즘 개발 필요 | Shor, Grover, HHL 알고리즘 등 연구 진행 중 |
| 양자 소프트웨어 | 양자 컴퓨터 프로그래밍, 제어, 알고리즘 구현 | 전문 인력 부족, 양자 특성 고려한 도구 및 환경 필요 | Qiskit, Cirq, Forest 등 플랫폼 개발 진행 중 |