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KISTI 과학향기 제1756호

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양자컴퓨터란 무엇인가

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초기 인간의 역사에서, 인간의 기술은 우리의 뇌, 불, 그리고 날카로운 창으로 구성되어 있었습니다
불과 창이 각각 발전소와 핵무기로 변하는 동안,
가장 큰 진보는 우리의 뇌에서 이루어졌습니다.
1960년대 이후부터, 우리의 뇌-기기들에 대한 기술들이 크게 발전하면서
컴퓨터의 크기를 줄이는 동시에 더 강력해지도록 만들었습니다.
하지만 이러한 과정은 이제 물리학적 한계에 다다랐는데,
컴퓨터부품들이 원자의 크기에 가까워지는 것입니다.
어째서 이것이 문제가 되는지 이해하기 위해서는 몇가지 기초사항을 알아야 할 필요가 있습니다.
In a Nutshell -By Kurzgesagt
컴퓨터는 아주 단순한 부품들로 이루어져있고, 아주 단순한 작업을합니다.
그 부품들은 데이터를 표시, 처리, 통제하는 간단한 일을 하죠.
컴퓨터 칩들은 모듈을 가지고 있는데, 그 모듈은 논리회로를 가지고 있고, 논리회로는 트랜지스터를 포함하고 있죠.
트랜지스터는 컴퓨터에서 가장 간단한 형식의 데이터 처리장치입니다.
기본적으로 그 스위치는 정보가 흐르는 통로를 막거나 열 수 있죠
이 정보는 기본적으로 0과 1이라는 상태로 지정될 수 있는 비트로 이루어져 있지요.
비트 여러개의 조합은 좀더 복잡한 정보를 나타낼때 사용됩니다.
트랜지스터들은 매우 단순한 작업을 처리하는 논리회로를 생성하기 위해 결합됩니다.
예를들어, And게이트는 만약 불러들인 정보의 값이 모두 1이라면 1을 출력하고, 그렇지 않을 경우 0을 출력합니다.
이런 논리회로들의 결합이 마침내 두 숫자들을 더함으로 인해 의미있는 모듈을 생성하게 됩니다.
일단 더하기가 가능해지면, 곱하기 또한 가능해지고 곱하기가 가능해지면, 모든 기본적인 연산이 가능해지는 것이지요.
모든 기본적인 작동들이 1학년 수학보다 단순하기 때문에, 여러분은 컴퓨터를 기본적인 수학문제를 풀고있는 7살 어린이 집단의 모습으로 상상할 수 있습니다.
이들을 충분히 모아 다발을 이룰 경우
천체물리학에서 젤다(게임)에 이르기까지 , 어떠한 것도 연산할 수 있습니다.
하지만 부품이 작아지고 작아질수록, 양자 물리학은 일을 까다롭게 만듭니다.
간단히 말해서, 트랜지스터는 단지 전기 스위치입니다.
전기는 한곳에서 다른곳으로 이동하는 전자들이고요.
스위치는 전자들이 한 방향으로 움직이는것을 통제해줄 수 있는 통로역할을 합니다.
오늘날의 전형적인 트랜지스터의 크기는 대략 14나노미터정도로, 약 HIV바이러스의 직경보다 8배 작고 적혈구보다 500배 작습니다.
트렌지스터들이 원자 크기만큼 줄어들면, 전자들은 양자터널효과라는 과정을 통해 막혀있는 통로를 그냥 통과해 버릴 수 있습니다.
양자의 영역에서, 물리법칙은 우리가 익숙한 방식과 매우 다르게 작용합니다. 그리고 기존의 컴퓨터들은 이해할 수 없는 방향으로 흘러가지요.
우리는 우리의 기술적 진보에 대한 물리적 장벽에 다가가고 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해, 과학자들은 이런 특이한 양자적 속성을 컴퓨터의 장점에 사용하길 시도하였고, 그 결과로 앙자컴퓨터를 제작했습니다.
일반적인 컴퓨터에서는 비트가 정보의 가장 작은 구성단위입니다.
양자 컴퓨터는 또한 두 값중 하나로 지정될 수 있는 '큐빗'을 사용합니다.
큐빗은 회전상태와 자기장 혹은 단일광자상태와 같은 두가지 상태의 양자 시스템이 될 수 있습니다.
0과 1의 시스템은 광자의 수평적 혹은 수직적 분극화와같은 가능성있는 상태입니다.
양자의 세계에서, 큐빗은 그 둘중 하나의 상태로 남아있을 필요가 없고, 동시에 두가지 비율의 상태가 될 수 있는데,
이것이 바로 '중첩'(superposition)이라고 불립니다.
그러나 일단 당신이 광자를 필터에 보내 통과시킴으로써 값을 알아보려고 시도하자마자, 그것은 수직, 혹은 수평적으로 분극화(polarized)가 결정되어버립니다.
일단 큐빗이 관측되지 않으면, 큐빗은 0혹은 1의 중첩 가능성을 가지고있는 것이고 당신은 어떠한것이 될 것이라 예측할 수 없습니다.
그러나 당신이 그것을 측정한 순간, 그것은 하나의 명확한 상태로 와해(collapse)됩니다.
'중첩'은 아주 결정적인 역할을 하죠.
고전적인 비트는 평행한 각각 4개의 다른 수치들에 둘 중 하나가 될 수 있습니다.[이해하시기 위해 영상에 있는 그림을 참조하세요.]
즉 당신이 오직 하나만 사용할 수 있는 16가지의 가능한 조합이 있다는 소리죠.
그러나 중첩상태의 큐빗에서는, 이러한 16가지의 조합들이 동시에 가능하며,
이 숫자들은 기하급수적으로 각각의 추가적인 큐빗과 함께 증가하게됩니다.
그들중 20개만 있어도 이미 약 100만에 달하는 값들을 동시에 저장할 수 있습니다.
큐빗이 가질 수 있는 이 이상하고도 불확실한 속성은 바로 '얽힘'(Entanglement) 입니다.
밀접한 연결은(close connection) 그들이 얼마나 멀리 떨어져 있든 간에 순간적으로 각각의 큐빗들을 다른상태의 변화로 반응하게 합니다.
이것은 즉 당신이 얽힌 큐빗 하나만을 측정할 때, 당신은 또다른 얽힌 큐빗을 관측할 필요 없이 그 속성을 바로 사용할 수 있다는 것을 의미합니다.
큐빗의 이용은 물론 정말 어렵죠.
일반적인 논리회로는 간단한 일렬의 입력값을 가지고 하나의 명확한 결과값을 내놓습니다.
양자 게이트는 중첩의 입력값을 이용하고, 확률의 원리를 돌려서 또다른 중첩 결과값을 도출합니다.
그래서 양자 컴퓨터는 일부 큐빗을 마련하여, 그들(큐빗)과 얽히게 하기위해 양자게이트를 적용시키고 확율을 이용해서 마침내 결과를 측정하게되는데 중첩들을 0과 1들의 실질적 순차로 와해(collapsing)시킵니다.
이것은 여러분이 설정한 모든 구성과 함께 전체적인 많은 연산들을 동시에 얻어낼 수 있다는 것을 의미합니다.
최종적으로 당신은 결과들 중 하나만 측정할 수 있구요, 그것은 아마도 당신이 원하는 한가지일 것입니다.
그래서 당신은 아마 두번 확인, 혹은 다시 시도해야 할 것입니다.
그러나 중첩과(superposition) 얽힘을(entanglement) 현명하게 이용함으로써, 이것은 일반적인 컴퓨터에서 가능했던것 보다 훨씬 더 효율적일 수 있습니다.
양자컴퓨터가 아마 우리의 집에 있는 가정컴퓨터들을 대체하지 않을 수 있지만, 일부 영역에선 그들은 아주 우월할 것입니다.
그중 하나가 데이터베이스 검색입니다.
데이터베이스내에서 무언가를 찾기 위해는, 일반적인 컴퓨터라면 아마 그 모든 것들을 하나하나씩 검토해보야할 것입니다.
양자 알고리즘은 그에 비해서 걸리는 시간이 제곱으로 적게 들고, 큰 데이터베이스를 다룰 땐 엄청 큰 차이가 나겠죠.
가장 잘 알려져 있는 양자 컴퓨터의 활용은 IT보안을 뚫는 것입니다.
당신의 브라우징, 이메일, 뱅킹 데이터는,
상대에게 공개 키(Public Key)를 제공하여 당신만이 해독할 수 있게 메시지를 암호화하는 보안시스템으로
안전하게 보관되고 있습니다.
문제는, 이 공개키가 당신의 개인 키(Private Key)를
계산하는데 사용될 수 있다는 것입니다.
다행히도, 일반 컴퓨터로 이 계산을 하기 위해서는
수 년의 시행착오가 필요합니다.
하지만 양자컴퓨터의 기하급수적인 계산속도로는
순식간에 끝나버립니다.
또 하나의 흥미로운 활용은 모의 실험입니다.
양자세계의 모의 실험은 컴퓨터에 과도한 무리를 주고,
분자와 같은 더 큰 구조로는
대체적으로 정확도가 떨어집니다.
그러면 양자물리를 양자물리로 실험하는 것은 어떨까요?
양자 모의 실험은 우리에게 단백질에 관한 새로운 사실을 제공해주어서
의학에 혁신을 일으킬 수도 있습니다.
지금 당장은, 양자컴퓨터가 전문적인 도구로만 사용될 지,
아니면 인류에 혁명을 가져다줄 지는 알 수 없습니다.
우리는 기술의 한계를 짐작할 수 없고,
한계를 알아보는 방법은 한 가지밖에 없습니다.
기사
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번역자: Kurzgesagt
영상: Kurzgesagt
출처: https://www.youtube.com/watch?v=JhHMJCUmq28
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