양자 컴퓨팅: 의미, 장점 및 기타

양자 컴퓨팅 컴퓨팅 계산을 수행하는 데 양자 역학 원리를 적용하는 것입니다. 여기서 사용되는 기본 현상은 다음과 같습니다. 얽히게 함 및 위에 놓기.

양자 컴퓨팅은 비교적 새로운 유행어이지만 양자 역학은 훨씬 더 오래 전부터 존재해 왔습니다. 양자 역학은 전자 산업의 주요 발전을 담당했으며, 또한 인류의 많은 미스터리에 대한 답을 제공합니다.

양자 역학은 원자와 아원자 입자가 어떻게 작동하는지에 초점을 맞추는 반면, 양자라는 단어는 사람이 작업할 수 있는 가장 작은 입자를 가리킵니다. 그것은 모든 물리적 대상의 가장 기본적인 구성 요소입니다.

막스 플랑크부터 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어, 에르빈 슈뢰딩거까지 많은 위대한 과학자들이 양자 역학의 발전에 참여했으며, 이는 결국 우리 시대의 가장 위대한 기술 경쟁 중 하나인 양자 컴퓨팅 경쟁으로 이어졌습니다.

이 글에서는 양자 현상의 마법같은 세계로 여러분을 안내하고, 이를 바탕으로 컴퓨터를 만드는 방법을 알려드리고, 관련 분야를 살펴보겠습니다.

차례 숨기기

결론

먼 거리에서 으스스한 행동

양자 현상은 기존의 이해를 거부하고 고전 물리학과는 완전히 다른 용어로 작동합니다. 그래서 1930년대에 아인슈타인은 양자 얽힘 현상과 그것이 기존 과학에 맞지 않는 방식을 설명하기 위해 "원거리에서의 으스스한 작용"이라는 단어를 사용했습니다.

양자 얽힘은 새로운 것이 아닙니다. 같은 장소와 순간에 두 개의 입자를 만들면 얽히게 됩니다. 즉, 하나에 무슨 일이 일어나든 다른 하나에 영향을 미칩니다.

연인을 생각할 때마다 사랑에 빠져 전화를 받는 것과 같습니다. 또는 전화를 걸고 "방금 전화하려고 했는데"라는 말을 듣는 것과 같습니다. 일란성 쌍둥이도 동시에 아플 때가 있습니다.

양자 얽힘의 가장 소름 돋는 부분은 얽힌 입자 중 하나를 멀리 가져갈 수 있다는 것입니다. 그리고 어떤 조건에 적용하든 두 번째 입자는 즉시 영향을 받을 것입니다. 심지어 반 은하계 떨어진 곳에서도 말입니다.

양자 컴퓨터는 이 속성을 사용하여 한 번에 여러 입자에 엄청난 양의 정보를 저장합니다. 이러한 입자는 큐비트 또는 양자 비트라고 하지만, 먼저 두 번째 양자 역학적 현상을 살펴보겠습니다.

에르빈 슈뢰딩거와 그의 고양이

또 다른 초기 양자 연구자는 오스트리아 물리학자 에르빈 슈뢰딩거였는데, 그는 알베르트 아인슈타인처럼 양자 현상의 일부를 터무니없다고 생각했습니다. 그래서 그는 양자 중첩의 역설을 시각화하기 위해 "슈뢰딩거의 고양이"라는 지금은 유명한 사고 실험을 생각해냈습니다.

이 실험은 고양이와 고양이를 죽일 수 있는 무언가를 상자에 넣고 봉인하면 상자를 열기 전까지 고양이가 죽었는지 살았는지 알 수 없다는 것을 말합니다. 따라서 논리적으로 고양이는 상자를 열기 전까지는 죽었고 살아있었습니다.

중첩은 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 두 번째 현상입니다. 고전적 컴퓨터가 주어진 시간에 1 또는 0을 나타낼 수 있는 정보 비트로 작동하는 반면, 양자 컴퓨터는 죽고 살아 있는 고양이처럼 동시에 0과 1을 나타낼 수 있는 큐비트(양자 비트)로 작동합니다.

큐비트에 대해 자세히 살펴보겠습니다.

비트 대 큐비트

큐비트는 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 것입니다. 양자 비트 또는 큐비트라고도 하는 큐비트는 정보를 저장하고 검색하기 위해 조작할 수 있는 가장 작은 에너지 단위입니다.

일반 컴퓨터 비트는 주어진 시간에 0 또는 1만 될 수 있습니다. 반면 양자 비트는 동시에 둘 다 될 수 있습니다. 따라서 두 개의 일반 비트는 주어진 시간에 00, 01, 10, 11을 가질 수 있습니다. 하지만 두 개의 양자 비트는 동시에 네 가지 상태를 모두 가질 수 있습니다. 즉, 4배 더 빠른 컴퓨팅 주기를 의미합니다.

3개의 일반 비트를 사용하면 언제든지 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111을 얻을 수 있습니다. 하지만 3개의 큐비트는 8개의 상태를 동시에 유지하여 XNUMX배 더 빠른 계산 주기를 제공합니다. 보시다시피 이 관계는 지수적이며, 추가 비트마다 사용 가능한 정보의 양이 두 배가 됩니다.

따라서 5개의 큐비트를 사용하면 32개의 동시 상태를 볼 수 있고, 10개의 큐비트를 사용하면 1,000개가 넘는 상태를 볼 수 있으며, 20개의 큐비트를 사용하면 XNUMX만 개가 넘는 상태를 볼 수 있습니다. 이제 몇 개의 상태를 고려해야 합니까? 1,000큐비트 양자 컴퓨터 IBM과 구글이 동시에 개발할 수 있다는 것입니다.

큐비트를 만들 수 있습니다 광자, 전자, 원자핵, 양자점, 초전도체, 그리고 다른 구현. 목표는 편리하게 설정하고 원하는 대로 측정할 수 있는 안정적인 에너지 양자 비트 컬렉션을 만드는 것입니다.

양자 컴퓨팅의 장점

양자 컴퓨팅의 가장 큰 장점은 복잡한 문제에서 즉각적인 결과를 얻는 것입니다. 이는 주로 여러 가능성 중에서 올바른 답을 선택해야 하는 상황에서 발생합니다. 그리고 이는 숫자 인수분해, 대규모 시뮬레이션, 인공 지능의 패턴 인식에 매우 유용합니다.

클래식 컴퓨터의 표준적인 접근 방식은 찾고 있는 것을 찾을 때까지 각 가능성을 조사하는 것입니다. 종종 건초더미 속의 바늘 찾기라고 불리는 이 작업에 걸리는 시간은 걸러내야 할 건초나 레코드의 양에 따라 달라집니다. 그리고 기계의 속도에 따라 달라집니다.

슈퍼컴퓨터는 각 가능성을 확인하는 속도를 높여서 이런 문제를 더 쉽게 만듭니다. 반면 양자 컴퓨터는 충분한 큐비트가 있다면 모든 가능성을 동시에 생성할 수 있습니다. 그래서 일반 컴퓨터가 수백 년에서 수천 년이 걸리는 문제를 몇 시간 만에 계산할 수 있습니다.

양자 컴퓨팅 문제 및 한계

기존 컴퓨터에서는 비트를 쉽게 측정할 수 있지만, 큐비트를 측정하면 큐비트 자체의 상태와 얽힌 큐비트의 상태가 파괴됩니다.

또한, 클래식 비트는 전하를 유지하거나(1) 유지하지 않아도 되는(0) 광범위한 반도체 재료로 만들어집니다. 그러나 큐비트는 훨씬 더 복잡하고 구현하기 어렵습니다. 그리고 큐비트를 공간적으로 고립시키는 것 외에도 온도 및 정전기 변동과 같은 환경 간섭으로부터 보호해야 합니다. 그러한 작은 환경 변화도 이러한 상태를 손상시키기 때문입니다.

이러한 얽힘 또는 시스템 균형의 상실을 양자 디코히어런스라고 하며, 대부분의 연구자들이 해결하려고 하는 주요 문제입니다. 너무 심각해서 구글의 다가올 1,000큐비트 머신은 각 큐비트의 오류 수정에 최대 1,000큐비트가 필요할 것입니다. 따라서 1만 큐비트 머신이 됩니다.

또한 현재 노트북이나 스마트폰처럼 양자 컴퓨터를 다룰 수 없다는 것을 의미합니다. 컴퓨터는 큐비트에 대한 안전한 수준의 안정성을 유지하기 위해 실험실 조건이 필요합니다.

또 다른 단점은 소위 양자 우월성의 범위가 제한되어 있다는 것입니다. 모든 컴퓨팅 문제가 많은 양의 숫자나 가능성을 포함하는 것은 아니기 때문입니다. 따라서 대부분의 다른 작업에서의 계산적 향상은 양자 컴퓨팅 접근 방식을 정당화하기에는 너무 미미합니다. 그리고 양자 컴퓨터가 고전적 컴퓨터보다 저렴해지지 않는 한, 양자 컴퓨터는 조만간 고전적 컴퓨터를 대체하지 못할 것입니다.

이러한 모든 단점에도 불구하고 양자 컴퓨터와 큐비트는 많은 수를 손쉽게 처리할 수 있기 때문에 컴퓨터 산업에 많은 잠재력을 가지고 있습니다.

양자 컴퓨팅에는 위험이 있는가?

네. 모든 훌륭한 해커는 모든 기술에 허점이 있다는 것을 알고 있습니다. 그저 찾아야 합니다. 따라서 미래에 양자 컴퓨터를 실제로 구현하더라도 기술에는 여전히 문제가 있을 것입니다. 그리고 이를 이용할 준비가 된 행위자들도 있을 것입니다.

이 시나리오는 은행, 금융, 정부 및 이와 유사한 공공 활동과 같은 용도를 말합니다. 두 번째 시나리오는 악의적인 행위자가 훌륭한 양자 컴퓨터의 놀라운 힘을 사용하여 위업을 달성하는 경우입니다. 그리고 언제나 그렇듯이 사람들은 그러한 가능성을 행위가 끝난 후에야 알게 될 것입니다.

양자 컴퓨팅은 숫자에 잘 맞습니다. 따라서 공개 키 RSA와 같은 인수 분해를 사용하는 비대칭 암호화 알고리즘은 안전하지 않습니다. 반면 AES-256 및 512, SHA-256 및 512와 같은 해싱 및 대칭 암호화는 비교적 안전합니다.

양자 역학의 다른 응용

양자 컴퓨팅의 세계가 아무리 흥미진진하더라도, 그것은 여전히 양자 역학의 일부일 뿐입니다. 다시 말해, 양자 파티는 이제 막 시작일 뿐입니다.

양자 역학은 반도체와 현대 전자공학 개발에 중요한 역할을 했습니다. 스위스에 기반을 둔 양자 네트워킹 및 암호화에 대한 작업도 진행 중입니다. 양자 암호학의 선구자 ID Quantique. 게다가 양자 현상은 광합성, 후각 수용체, 심지어는 신경전달물질을 포함한 수많은 연구 분야에서도 유망성을 보였습니다. 시간에 대한 우리의 이해.

실제 세계 양자 컴퓨터

양자 컴퓨터와 유사한 애플리케이션은 많이 있습니다. Google과 IBM과 같은 대형 다국적 기업과 정부, 심지어 Rigetti와 같은 소규모 기업에서도 나옵니다.

양자 컴퓨팅은 현재 지구상에서 가장 인기 있는 연구 분야 중 하나입니다. 따라서 여러분이 상상할 수 있는 것보다 더 많은 비밀 프로그램이 있을 것입니다. 다음은 몇 가지 주요 프로젝트입니다.

구글은 54큐비트와 72큐비트 머신을 보유하고 있습니다.
IBM은 30큐비트 맨해튼을 포함하여 전 세계에 분산된 65개 이상의 기계를 소유하고 있습니다.
중국은 76큐비트 머신을 포함한 수많은 양자 컴퓨터를 보유하고 있으며, 양자 위성 통신도 개발했습니다.
구글의 54큐비트 시커모어 프로세서 기반 머신은 슈퍼컴퓨터가 200년이 걸리는 계산을 불과 10,000초 만에 계산했습니다.
IBM, 1,000년까지 2023큐비트 머신 개발
Rigetti Computing은 31큐비트 머신을 포함하여 XNUMX개를 소유하고 있습니다.
구글은 1,000년까지 2029큐비트 컴퓨터를 만들기 위해 새로운 양자 센터를 건설하고 있습니다. 인수분해 오류 수정을 통해 해당 컴퓨터의 총 큐비트는 1만 개에 도달할 수 있습니다.