QPU 양자 컴퓨터 - Intro [스크랩]

 

양자컴퓨팅이 핫하다.
Quantum Processing Unit (QPU)에 대해서 알아보기 앞서 양자에 대한 기본적인 내용을 알아보자.

 

Qubit과 중첩

 

고전(디지털) 컴퓨터는 0과 1의 이진값을 사용한다.
이 값들은 심플한 로직 게이트들, AND, OR, NOT, and NAND 등으로 연산할 수 있다. 
고전 컴퓨터의 state 상태는 비트들의 모든 상태 조합로 결정된다.
$N$ bits가 있으면 컴퓨터는 $2^N$ 상태를 가진다.

퀀텀 컴퓨터는 양자 비트 즉 큐비트 qubits를 사용한다. 
이 큐비트는 superposition 중첩이라는 성질로 0, 1 또는 0, 1의 (무수한) 선형 조합을 나타낼 수 있다.
디지털 컴퓨터가 $2^N$ 중 하나의 상태에 놓일 때 퀀텀 컴퓨터는 연산 중 동시에 여러 상태에 놓일 수 있다.

 
 

 
좀 더 설명하자면
|1⟩ 와 |2⟩ 라는 상태는 α|1⟩+β|2⟩ 라는 상태가 될 수 있다.
여기서 α, β는 복소수이다.
(복소수가 실수보다 양자 시스템을 표현하기에 더 적합하다.) 라고 한다. 왜?
슈뢰딩거의 고양이로 생각하자면 관측되기 전 고양이의 상태는  |alive⟩+|dead⟩ 인 것이다.

 
 

관측자 효과

또한 이 중첩 상태는 관측이 되면 붕괴된다.
즉 상자를 열면 고양이가 죽어 있다. 또는 살아 있다.
 
관측하려면 양자 시스템과 관측자는 상호작용해야하는데 이 상호작용이 필연적으로 양자 시스템을 변화시킨다.
-  양자역학의 핵심 원리인 불확정성 원리에 따르면, 어떤 양자 상태를 완벽하게 측정하는 것은 불가능하다. 위치를 정확히 측정하려고 하면, 운동량(속도)에 대한 정보가 불확실해지고, 반대로 운동량을 정확히 측정하면 위치에 대한 정보가 불확실해진다.
즉, 관측 과정에서 한 물리량을 측정하면 다른 물리량에 필연적으로 영향을 주게 된다.
(그래도 납득이 안된다.)
 

 
 

Entanglement 얽힘 

 그리고 다른 큐비트끼리의 중첩은 entanglement 얽힘이라는 성질에 의해 서로 correlated 된다.
즉 얽혀있는 두 입자는 하나의 입자를 상태를 측정했을 때 다른 입자의 상태도 결정된다. 
양자 연산 마지막 과정에서 양자 알고리즘에 의해 생성된 확률에 기반해 큐비트 상태가 하나로 상정된다.
 

 
 

Usage

 
그럼 어떻게 이 양자 컴퓨팅이 기존의 고전 컴퓨팅을 뛰어넘을 수 있을까?
1994년 MIT의 수학자 Peter Shor가 쇼어 알고리즘을 발견했다.  
이 알고리즘은 큰 수의 합성수를 소인수분해한다.
양자 컴퓨팅을 사용하면 고전 알고리즘보다 지수적으로 훨씬 더 빨리 소인수를 찾아낼 수 있다. 

2년 후에 LovGrover는 데이터베이스에 있는 한 엔트리를 고전 컴퓨팅보다 더 빨리 찾아내는 양자 알고리즘을 발견했다. 

또 제일 중요하게도 양자 컴퓨터는 양자 역학을 따르기 때문에 이 세상의 양자 현상을 파악하기 위한 적합한 도구이다. 
예를 들면 약 개발에 필요한 분자 상호작용이나 신소재 디자인에 유용하게 쓰일 수 있다.

 

출처: 
IBM’s Big Bet on the Quantum-Centric Supercomputer
Spectrum IEEE September 2024