양자 컴퓨터는 어떤 컴퓨터인가?

1.   개요
양자 컴퓨터(Quantum Computer)는 물질의 미세한 단위인 양자(量子)의 독특한 성질을 이용하여, 논리와 계산의 연산(演算)을 하는 컴퓨터 입니다. 

논리와 계산의 연산이란 숫자의 이진(Binary) 표기법을 사용하여, 수를 계산하고 논리를 처리하는 방법을 말합니다. 이진 표기법이란 숫자 0과 1 두 개를 수의 단위로 사용하는 것을 말합니다.

물질을 분해하면 원자가 나오고, 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다. 또한 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어 집니다. 원자를 한 단계 더 세분하면 소립자(素粒子)가 나옵니다. 소립자(Particle)는 기본 입자라고도 부릅니다. 기본 입자는 쿼크(Quark), 렙톤(Lepton)과 보손(Boson) 등으로 이루어 집니다

  
원자, 양성자, 중성자, 쿼크, 렙톤과 보손을 통칭(統稱)하여 양자(Quantum) 이라고 부릅니다.

양자의 독특한 성질은 양자 중첩(Quantum Superposition), 양자 얽힘(Quantum Entanglement)과 양자연산의 가역성(可逆性)이 있습니다.

이런 양자의 움직임을 다루는 과학을 양자역학(Quantum Dynamics) 이라고 합니다. 양자역학은 중첩, 얽힘과 가역성 이외에도 많은 특성을 가집니다.

이 중 양자 중첩은 양자 중 하나인 소립자가 중첩되어 있는 성질을 말합니다. 노트북은 비트 1 또는 비트 0 하나씩만 이용하여 게이트로 연산을 합니다. 양자 컴퓨터는 이 1과 0을 동시에 이용하여 연산을 합니다. 2바이트 노트북은 8의 2승 64번 연산을 해야 합니다.

2큐비트 양자컴퓨터는 2큐비트를 중첩하여 한번에 연산을 합니다. 비트수가 증가하면 고전 컴퓨터는 천문학적 단위의 연산을 해야 하지만, 양자 컴퓨터는 단 한번 또는 몇 단계로 나누어 아주 단시간 내에 연산을 해 냅니다. 이런 능력을 양자우위(Quantum Supremacy) 라고 합니다.

양자 얽힘과 연산 가역성은 너무 길기 때문에 다음에서 설명합니다.

양자를 양자 컴퓨터에 적용하기 위하여는 기존의 노트북 컴퓨터처럼 부호(Code)를 만들어야 합니다.

노트북은 전기의 전압과 전류 즉, 전기에너지를 이용하여 부호를 만듭니다. 5볼트 전압은 <비트 1>이라 하고, 0볼트 전압은 <비트 0>이라 합니다. 비트(Bit)는 Binary Digit의 약자 입니다. 
그러나 양자컴퓨터는 노트북이나 스마트폰(양자 컴퓨터와 구별하기 위하여 고전 컴퓨터라고 부름)의 전기 에너지와는 다른 에너지를 사용합니다. 그 에너지도 양자 컴퓨터의 단계별로 각각 상이한 것을 사용합니다.

고전 컴퓨터의 작동 단계(구성)는 [입력 과정 →중앙처리 과정 →메모리 저장 과정 →출력 과정]의 흐름으로 구별합니다. 고전 컴퓨터(Classical Computer)는 전기에너지 중 5v(3~5) or 
0v(0~2)를 사용 합니다.

양자컴퓨터는 [입력 흐름 →양자연산 흐름 →측정 흐름 →메모리 저장흐름 →출력 흐름]으로 구별합니다. 양자컴퓨터는 작동 흐름이 다양합니다.

그 중 초전도 큐비트를 기준으로 설명합니다. 사용 에너지와 작동 개념을 간략히 설명합니다.  

입력 흐름에서 극저온 냉각을 위하여 *헬륨 냉각기의 냉각 에너지*를 사용합니다 극저온(Minus 273도) 상태라야 초전도 큐비트 양자흐름이 활성화 되는 것입니다. 큐비트를 입력 신호로 사용합니다.

양자연산 흐름에서는 *마이크로파 펄스*를 사용하여 양자 상태의 위상과 진폭으로 양자 연산을 합니다. 

양자역학의 성질인 양자 중첩을 이용하여 양자 컴퓨터 연산 큐비트와 양자 연산 게이트(Gate)를 만듭니다. 큐비트와 양자 게이트를 사용하여 양자 연산 회로(Circuit)를 만듭니다.

큐비트, 양자 게이트와 양자 회로에서 양자 연산을 합니다. 고전 컴퓨터는 비트로 구성된 게이트와 논리회로를 이용하여 논리와 산술 연산을 합니다. 비트에서는 연산을 하지 않습니다. 

그러나 양자 컴퓨터는 큐비트에서도 양자연산을 합니다. 이와 같은 특성이 양자 컴퓨터가 이해하기 어려운 점 입니다.

측정 흐름에서는 *초전도 큐비트 마이크로파*를 전자 신호(고전 컴퓨터와 동일)로 변환하여 측정 결과를 냅니다. 양자 연산을 하면 양자특성을 보유한 상태가 나타납니다. 중첩된 양자 정보가 그대로 있는것입니다. 이런 양자 상태에 측정을 하면, 양자 중첩 상태가 붕괴되어 1과 0의 부호가 나타나는 것입니다.

메모리 저장 흐름에서는 고전컴퓨터의 레지스터와 RAM을 사용 합니다. 아직 양자 큐비트  0> (Ket 0)과 큐비트  1> (Ket 1)을 그대로 저장하는 전용 메모리 장치는 개발되지 않았습니다. 
큐비트(Qubit)는 Bracket 부호 < > 를 사용하여 나타냅니다. (   >) 를 Ket 라고 부르고 (<  ) 를 Bra 라고 부릅니다. 

이렇게 양자 컴퓨터는 <큐비트(Qbit) Ket 1>과 <큐비트 Ket 0>의 부호를 만들어 양자 연산에 사용합니다.

출력 단계는 고전 컴퓨터 출력과 같은 전기에너지를 사용합니다. 출력 결과 1과 0의 이진 부호가 나타나는 것입니다.

이처럼 양자 컴퓨터는 매우 복잡한 원리, 에너지와 장치를 사용합니다.

양자 컴퓨터는 한 마디로 말하여, 큐비트 신호의 중첩, 얽힘과 양자연산의 가역성을 적용한 고전 컴퓨터와는 아주 다른 초고성능의 컴퓨터 입니다.

다음 강의부터 각 항목을 아주 쉽게 설명해 나갑니다.