양자 컴퓨터의 이해: 비트와 큐비트, 확률을 통한 계산

기존의 컴퓨터: 전기의 흐름을 0과 1로 표현하여 계산하는 컴퓨터
 
기존의 컴퓨터는 0과 1의 이진법을 사용하여 데이터와 정보를 저장하고 처리하는 전자 기기 기존의 컴퓨터는 연산의 기초 단위로 Bit(Binary digit)를 사용하여 0 또는 1로 처리하고 저장하는 데, 이것은 스위치의 개념으로 볼 수 있음. 예를 들어, 십진수 13은 2진수 1101로 처리되는 데, 4개의 비트를 사용하여 각각의 비트는 스위치가 1(On)-1(On)-0(Off)-1(On)의 상태 전기 신호로 이것을 표현하기 위해서는 전기가 통하는 ‘도체’ 상태와 전기가 통하지 않는 ‘부도체’ 상태가 필요한데, 외부의 자극을 이용해 전기의 흐름을 조절할 수 있는 ‘반도체’가 이러한 스위치 역할을 하는 것 → 트랜지스터 회로의 중간에 도체 상태와 부도체 상태를 오갈 수 있는 ‘반도체’가 있어 전기가 흐르면 1, 전기가 흐르지 않으면 0을 표현
트랜지스터와 AND 연산 회로 : 트랜지스터의 세 개의 다리中 두번째 다리(베이스)에 전압을 걸어 전기가 흐르거나 흐르지 않도록 상태를 조절. 트랜지스터 1개가 1비트의 저장용량을 가짐
이러한 트랜지스터 2개를 이용하면 AND, OR 와 같은 논리 연산 회로를 만들 수 있고, 이를 확장하여 사칙연산 및 더욱 복잡한 연산 회로의 제작이 가능

 
트랜지스터 작동 방식
컴퓨터의 중앙처리장치인 CPU에는 이러한 트랜지스터 수십억 개가 집적[그림 5]되어 있으며, 흔히, 반도체 제조 공정을 얘기할 때 3나노, 5나노 공정을 사용했다고 표현하는 데 이것은 트랜지스터 회로의 선폭 길이가 3nm, 5nm라는 의미4. 즉, 5나노 공정은 반도체를 만들 때 10억분의 5미터 정도로 정밀하게 전기회로를 새겨서 제조했다는 것임.
통상 같은 면적에 더 많은 트랜지스터를 집적할수록, 고용량·고성능·고효율의 칩을 통
해 컴퓨터의 성능이 향상되어 짐.
 
양자 컴퓨터: 양자역학의 원리를 통해 동시에 여러 경우의 수를 표현하고 빠르게 계산
 컴퓨터 칩의 집적도를 높여 컴퓨팅 파워를 높이려는 노력과 함께, 동시에 여러 가지 상태를 가질 수 있는 양자5의 성질을 컴퓨터 계산에서 활용할 수 있다면 기존 컴퓨터에 비해 연산 능력을 획기적으로 확장할 수 있지 않을까 라는 아이디어를 바탕으로 양자 컴퓨터 연구가 시작 양자 컴퓨터는 연산의 기초 단위로 큐비트(Qubit: Quantum Bit)를 사용하여 만들어진 컴퓨터 양자는 입자이면서 동시에 파동이라는 이중성을 가지며, 동시에 여러 상태를 가질 수 있다는 양자역학의 원리를 이용 → 비트는 0과 1중 하나만 표현하는 것과 달리 큐비트는 0과 1의 값을 한번에 표현

 
즉, 기존의 컴퓨터에서는 4개의 비트로 0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111, 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111를 한번에 하나씩 표현 가능, 반면, 양자 컴퓨터는 하나의 큐비트가 0과 1의 2가지 경우를 동시에 나타날 수 있으므로, 4개의 큐비트만으로 16(=24)가지의 경우를 한번에 표현할 수 있음

 
양자 컴퓨터는 큐비트를 이용해 수 많은 경우의 수를 동시에 표현하고 빠르게 계산하는 컴퓨터 양자 컴퓨터에서는 큐비트의 수를 늘려갈수록 기존의 컴퓨터보다 훨씬 많은 경우의 수를 표현할 수 있어 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산이 가능, 기존의 컴퓨터가 4비트를 가지고 있는 경우, 위의 16가지 경우를 모두 처리하기 위해서 한번에 한가지씩 총 16번의 반복이 필요[그림 10], 반면, 양자 컴퓨터가 4큐비트7를 가지고 있는 경우, 16가지 경우를 한 번에 처리할 수 있음

 
만약, 큐비트의 수가 10개라면 210(=1,024)개의 경우의 수를, 20개라면 220(=1,048,576)개
의 경우의 수를 한 번에 표현하고 처리할 수 있다는 것
  
양자 컴퓨터의 발전: 다양한 방식을 통한 큐비트의 구현
양자 컴퓨터의 핵심인 큐비트의 구현: 초전도체, 이온(트랩), 반도체, 광자 방식 등
 
양자 컴퓨터는 큐비트의 숫자가 많아질수록 한 번에 계산할 수 있는 경우가 늘어나므로, 다양한 연구기관 및 기업에서 큐비트를 어떻게 구현할 지 다양한 플랫폼 영역에서 개발을 진행중
큐비트의 개수와 연산 정확도 측면에서 초전도체 회로 방식과 이온(트랩) 방식이 우위에 있음
 
초전도체 회로 방식:
현재 기술적으로 가장 앞서 있으며, 가장 많이 사용되고 있는 방식
금속 등을 매우 낮은 온도로 냉각하면 전기저항이 0이 되는 초전도 현상을 이용하여 금속 안에서 전자가 자유롭게 이동할 수 있다는 점에 착안. 전극 두 장을 서로 마주하는 구조로 만들고 전자가 어느 쪽의 전극에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현 극저온인 -273℃ 까지 냉각하는 초거대 냉동기(가로·세로·높이 약 2m)가 필요하며 열/진동/자기장 등 외부 요소를 차단하기 위해 구리·알루미늄과 같은 통을 겹겹이 씌우고 있으며, 양자를 제어하기 위한 복잡한 선들이 연결됨. 양자 컴퓨터의 가장 중앙 부분사진에 사각형으로 표시에 양자 칩이 위치
 

초전도체 회로 방식

 
이온(트랩) 방식:
초전도체 방식보다 더욱 오랜 기간 연구되고 있는 주요 개발 방식
전하를 가지는 이온을 전자기장을 이용해 공중에 트랩한 후 레이저광에 의해 이온을 조작하여 이온의 궤도 운동을 통해 이온이 어느 쪽 궤도에 있는지를 0과 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현, 불필요한 원자나 분자가 없는 진공 용기에 이온을 포획하여 제어하며, 자연에 원래 존재하는 이온을 이용하므로 큐비트를 안정적으로 구현 가능. 이온 하나가 1큐비트를 구현.

이온(트랩) 방식

 
반도체 방식:
고품질 반도체 제조기술과 나노미터 크기의 부품 가공 기술 등을 활용한 방식
트랜지스터와 흡사한 반도체 소자의 게이트 구
조에 전자나 입자를 가두고 전자 한 개가 가지는 자성의 두 방향으로 큐비트 구현

반도체 방식

 
광자 방식:
빛을 구성하는 광자를 이용하는 광학에 기반한 방식으로 확장성 측면에서 주목
미국의 PsiQuantum, 캐나다의 Xanadu 등에서 사용하는 방식으로 빛이 입자와 파동의 성질을 가지며 대기중에서도 약해지지 않고 멀리까지 보낼 수 있는 특성을 활용, 파동의 진동 방향을 세로는 0, 가로는 1로 표현하는 방식으로 큐비트를 구현, 저온이나 진공상태가 아닌 상온의 공기중에서도 작동한다는 점에서 주목을 받고 있음
 
그 외 인공적으로 합성한 다이아몬드 소재를 활용하는 다이아몬드 센터 방식이나 리드버그원자
10 들을 이용해 조합 최적화 문제 등에 혁신적인 도움을 줄 수 있는 리드버그(Rydberg) 방식
등 다양한 방식으로 연구 개발이 진행 중
 

 
양자컴퓨터 큐비트 구현 소자 비교

종류	특성	장단점	기업
초전도	초전도체에 흐르는 전류에 양자중첩상태를 생성 - 큐비트 수 : 16 - 연산정확도: 99%	[장점] 빠른 속도, 반도체 기술 활용 가능 [단점] 빠른 상태붕괴, 초저온 유지필요	구글, IBM, Rigetti, Quantum Circuits
이온트랩	이온화 된 원자의 양자상태와 레이저 쿨링을 통해 중첩상태 형성 - 큐비트 수 : 5 - 연산정확도 : 99.9%	[장점] 소자의 앆정성, 높은 게이트 신뢰도 [단점] 느린 연산 속도, 다수의 레이저 장치 필요	IonQ
반도체	반도체 퀀텀닷에 전자를 주입해 인공원자를 만들고 마이크로파로 전자의 양자상태를 제어 - 큐비트 수 : 2 - 연산정확도 : 90%	[장점] 소자의 앆정성, 반도체 기술 활용 가능 [단점] 얽힘상태 구현 어려움, 초저온 유지 필요	인텔
광자	얽힘 상태의 광자를 이용	[장점] 컴퓨팅 분야 뿐만 아니라 통신 등 다양한 분야 확장 가능 [단점] 집적 소재 개발 어려움	MIT, Purdue대