양자 컴퓨터가 필요한 이유는 무엇인가요?
과학자와 엔지니어들은 기존의 고전적인 컴퓨터로는 사실상 해결이 불가능한 특정 문제를 양자 컴퓨터로 쉽게 해결할 수 있을 것으로 예상합니다. 또한 양자 컴퓨터는 현재의 암호화 방식에 도전하고 완전히 사적인 통신을 위한 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대됩니다.
양자 컴퓨터는 다른 양자 시스템에 대해 배우고, 모델링하고, 조작하는 데 도움이 될 것입니다. 이러한 능력은 물리학에 대한 이해를 향상시키고 컴퓨터 칩, 통신 장치, 에너지 기술, 과학 기기, 센서, 시계, 재료 등 양자 역학이 중요한 역할을 하는 규모에서 설계되는 사물의 설계에 영향을 미칠 것입니다.
1950년대만 해도 사람들이 오늘날의 고전적인 컴퓨터와 관련 기술의 용도를 거의 상상할 수 없었던 것처럼, 양자 컴퓨터가 등장할 애플리케이션에 놀랄 수도 있습니다.
양자 컴퓨터는 어떻게 작동하나요?
양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 몇 가지 속성을 공유합니다. 예를 들어, 두 유형의 컴퓨터 모두 일반적으로 칩, 회로, 논리 게이트를 가지고 있습니다. 양자 컴퓨터의 연산은 알고리즘(본질적으로 순차적 명령어)에 의해 이루어지며, 정보를 표현하기 위해 1과 0으로 이루어진 이진 코드를 사용합니다.
두 유형의 컴퓨터 모두 물리적 개체를 사용하여 이러한 1과 0을 인코딩합니다. 기존 컴퓨터에서 이러한 개체는 전류가 켜져 있거나 꺼져 있거나 자석이 위쪽 또는 아래쪽을 가리키는 등 두 가지 상태로 비트(2진수)를 인코딩합니다.
양자 컴퓨터는 정보를 매우 다르게 처리하는 양자 비트, 즉 큐비트를 사용합니다. 기존 비트는 항상 1 또는 0을 나타내지만 큐비트는 상태가 측정될 때까지 1과 0이 동시에 중첩된 상태에 있을 수 있습니다.
또한 여러 큐비트의 상태는 얽혀있을 수 있으며, 이는 양자 역학적으로 서로 연결되어 있음을 의미합니다. 중첩과 얽힘은 양자 컴퓨터에게 기존 컴퓨팅에는 없던 기능을 제공합니다.
큐비트는 원자, 이온 또는 전자라고 하는 전하를 띤 원자를 조작하거나 리소그래피라는 인쇄 방법을 사용하여 초전도 큐비트 회로와 같은 소위 인공 원자를 나노 공학적으로 제작하여 만들 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 존재할까요?
초기 양자 컴퓨터는 10년 이상 다양한 형태로 존재해 왔습니다. 몇몇 기술 회사에서는 이미 작동하는 양자 컴퓨터를 보유하고 있으며 관련 프로그래밍 언어 및 소프트웨어 개발 리소스와 함께 사용할 수 있도록 제공하고 있습니다.
양자 게이트가 논리적 연산을 통해 큐비트를 제어하는 가장 광범위한 잠재적 용도를 가진 기술은 빠르게 발전하고 있으며 초기 개발 단계에 있습니다. 오늘날 이러한 유형의 컴퓨터는 일반적으로 큐비트 수가 100개 미만입니다. 큐비트는 절대 영도에 가까운 온도로 냉각하고 자기 및 전기 간섭으로부터 보호하는 중첩된 챔버 내부에서 양자 상태로 유지됩니다.
이 기술은 2019년에 양자 컴퓨터가 기존 슈퍼컴퓨터가 같은 문제를 푸는 데 걸리는 시간보다 훨씬 짧은 시간 안에 특정 계산을 완료하는 이정표를 세웠습니다. 이 업적은 원리 증명으로 간주되며, 이러한 유형의 양자 컴퓨터를 사용하여 실제 문제를 해결하는 데는 몇 년이 걸릴 것으로 예상됩니다.
양자 어닐링이라고 하는 양자 컴퓨팅에 대한 또 다른 접근 방식은 개발 단계에 있지만 특정 종류의 계산에 국한되어 있습니다. 이 접근 방식에서는 극저온 냉장고에 보관된 양자 컴퓨터가 수천 개의 큐비트를 사용하여 복잡한 문제에 대한 최적의 솔루션을 빠르게 근사화합니다. 이 접근 방식은 변수와 가능한 해법이 많은 이진 최적화 문제라고 하는 수학적 문제로 제한됩니다. 일부 기업과 기관에서는 일정, 설계, 물류 및 자재 검색과 관련된 문제를 해결하기 위해 이러한 유형의 컴퓨터를 구입하거나 새로운 모델을 대여하고 있습니다.
광범위하게 유용한 양자 컴퓨터는 언제쯤 사용할 수 있을까요?
범용 양자 컴퓨터가 다양한 실제 문제에 적용되기까지는 몇 년이 걸릴 수 있습니다. 유용한 작업을 수행하려면 아마도 수천 개의 큐비트가 필요할 것입니다. 규모를 확장하는 데는 어려움이 따릅니다.
많은 수의 큐비트는 분리하기가 더 어렵고, 주변 환경의 분자나 자기장과 상호작용할 경우 중첩과 얽힘이라는 본질적이면서도 취약한 특성을 잃고 붕괴되거나 분해됩니다. 큐비트 수가 많을수록 개별 큐비트가 환경에 의해 교란되기 때문에 기계가 오류를 일으킬 가능성이 높아집니다.
이론가들과 실험가들은 오류를 줄이고, 큐비트가 양자 상태에 머무를 수 있는 시간을 늘리고, 시스템의 내결함성을 높여 오류가 발생하더라도 정확성을 유지하는 전략을 개발합니다.
연구자들은 큐비트와 양자 컴퓨터를 위한 새로운 설계를 개발하고 기존 기술을 개선하고 있습니다. 이미 확립된 전략과 새로운 전략은 확장하고 신뢰성을 높이며 잠재력을 입증하는 데 시간이 걸릴 것입니다.
칼텍은 양자 컴퓨팅에 어떤 영향을 미쳤나요?
양자 컴퓨팅 분야는 시작부터 칼텍에 의해 형성되었습니다. 양자 정보 및 물질 연구소 및 그 선구자, 카블리 나노과학 연구소, 새로운 AWS 양자 컴퓨팅 센터, 칼텍이 관리하는 NASA 연구소인 JPL과 같은 칼텍 센터에 소속된 동문 및 현직 칼텍 과학자와 엔지니어들이 획기적인 업적을 이뤄냈습니다. 이 연구자들은 공학 및 과학 전반과 전 세계 동료들과 협력하여 다음과 같은 성과를 거두었습니다.
- 1959년 양자 기계 장치와 1981년 양자 컴퓨터를 예측했습니다;
- 먼 거리까지 정보를 전송할 수 있는 양자 순간 이동을 실현하는 최초의 실험을 수행했습니다;
- 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터가 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 보여주는 쇼 알고리즘을 개발했습니다;
- 처음으로 얽힌 양자 상태를 메모리 장치에 저장했습니다;
- 로컬 환경의 교란으로부터 정보를 보호하기 위해 얽힘을 활용하여 오류를 수정하는 방법을 개념화했습니다;
- 정보를 물리적으로 인코딩하고 보호할 수 있는 물질을 이론화했습니다.
양자 컴퓨터가 올바르게 계산하고 있는지 검증하는 방법을 개발했습니다.
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