[CS 지식18.] Quantum Computing(양자 컴퓨팅)

Overview

양자컴퓨팅에 대해서 알아본다.

 

출처 : https://investpension.miraeasset.com/contents/view.do?idx=17311

 

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Quantum Computing(양자 컴퓨팅) 이란?

양자역학에서 양자얽힘, 중첩, 텔레포테이션 등의 효과를 이용해 계산하는 컴퓨터를 말한다.

이론적으로 현존 최고의 슈퍼 컴퓨터가 수백 년이 걸려도 풀기 힘든 문제도 단 몇 초 이내의 어마어마한 속도로 빠르게 풀 수 있을 것으로 전망되고 있다.

양자 컴퓨팅은 원자 및 아원자 수준에서 입자의 동작을 설명하는 물리학의 기본 이론인 양자 역학의 원리를 활용하는 고급 계산 영역이다. 정보의 기본 단위로 비트를 사용하는 기존 컴퓨팅과 달리 양자 컴퓨팅은 큐비트(양자 비트)를 사용한다.

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양자 컴퓨팅의 주요 개념

 

큐비트(Quantum Bits)

큐비트 또는 양자 비트는 양자 컴퓨팅에서 데이터를 인코딩하는 데 사용되는 정보의 기본 단위이며 기존 컴퓨터에서 정보를 이진으로 인코딩하는 데 사용하는 기존 비트와 동일한 양자로 가장 잘 이해할 수 있다.

기존의 컴퓨팅에서 비트는 '0' 또는 '1' 일이다. 즉 0과 1만 구분할 수 있었다. 그러나 큐비트는 양자역학 덕분에 '0'과 '1'이 동시에 중첩되어 존재할 수 있다. 이를 통해 양자 컴퓨터는 방대한 양의 정보를 병렬로 처리할 수 있다.

 

중첩 원리(Superposition Principle, Property)

중첩의 원리는 각각의 독립된 전원을 분리해 계산하는 원리를 말하는 것이다.

중첩을 통해 큐비트는 동시에 여러 상태를 나타낼 수 있다. 이는 한 번에 하나의 상태를 처리하는 기존 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터가 여러 가능성을 동시에 평가할 수 있음을 의미한다.

 

양자 얽힘(Quantum Entanglement)

양자역학에서 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다.

얽힘은 큐비트가 서로 상관되는 양자 현상이다. 얽힌 큐비트 하나의 상태를 변경하면 서로 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 다른 큐비트의 상태에 즉시 영향을 미친다. 이 속성은 양자 통신 및 컴퓨팅에 중요하다.

 

양자 간섭(Quantum Interference)

양자 간섭은 잘못된 해를 상쇄하면서 올바른 해가 나올 확률을 증폭시키는 데 사용 된다. 이는 특정 계산의 효율성을 향상시킨다.

 

측정(Measurement)

큐비트를 측정하면 중첩 상태에서 '0' 또는 '1'의 명확한 상태로 붕괴된다. 계산 결과는 이러한 측정에 따라 달라진다.

 

 

클래식 컴퓨팅과 양자 컴퓨팅의 차이점

양자컴퓨터는 고전 컴퓨터와 다른 점이 있다. 고전 컴퓨터는 '확정적인 정답'을 출력하는 기계다.

1+1은 무조건 2라는 식의 확정적인 정답만을 출력한다. 하지만 양자컴퓨터는 다르다. 정답을 정답으로써 출력하는 게 아니다. '정답일 확률이 가장 높은 값'을 정답으로 출력하는 것이다.

출처 : https://namu.wiki/w/양자컴퓨터

Aspect	Classical Computing	Quantum Computing
Basic Unit	Bit (0 or 1)	Qubit (superposition of 0 and 1)
Processing	Sequential or parallel (순차 또는 병렬)	Simultaneous via superposition (중첩에 의한 동시성)
State Representation	Single state at a time (한 번에 단일 상태)	Multiple states simultaneously (동시에 여러 상태)
Speed	Efficient for general tasks (일반 작업에 효율적)	Exponentially faster for specific problems (특정 문제에 대한 기하급수적으로 빠른 속도)
Interconnectivity	No inherent correlation (고유한 상관관계 없음)	Entanglement enables high connectivity (얽힘으로 높은 연결성 제공)

 

 

 

양자 컴퓨팅의 활용

 

암호화(Cryptography)

양자 컴퓨터는 Shor의 알고리즘과 같은 알고리즘을 사용하여 기존 암호화 방법(예: RSA)을 깨뜨릴 수 있다. 그러나 양자 안전 암호화 기술도 가능하다.

 

최적화 문제(Optimization Problems)

물류, 공급망 관리, 금융 모델링 분야의 애플리케이션은 여러 솔루션을 동시에 탐색할 수 있는 양자 컴퓨팅 기능의 이점을 활용한다.

 

머신러닝(Machine Learning)

양자 기계 학습은 기존 시스템보다 훨씬 빠르게 대규모 데이터 세트를 처리하고 분석할 수 있다.

 

신약 또는 물질 발견(Drug Discovery)

양자 수준에서 분자 상호 작용을 시뮬레이션하면 신약 및 물질의 더 빠른 발견이 가능하다.

 

날씨 및 기후 모델링(Weather and Climate Modeling)

날씨 패턴이나 기후 역학과 같은 복잡한 시스템을 보다 정확하게 시뮬레이션하는 능력

 

양자 시뮬레이션(Quantum Simulation)

기존 컴퓨터에서는 시뮬레이션이 불가능한 양자 시스템을 시뮬레이션하여 재료 과학 및 기초 물리학에 유용하다.

 

 

양자 컴퓨팅의 한계

 

하드웨어 제한

안정적인 양자 시스템을 구축하는 것은 qubit decoherence(환경과의 상호 작용으로 인한 양자 상태 손실)으로 인해 어렵다.

 

오류 수정

양자 시스템은 오류가 발생하기 쉬우므로 효과적인 양자 오류 수정을 개발하는 것이 필수적이다.

 

확장성

품질과 얽힘을 유지하면서 큐비트 수를 늘리는 것은 중요한 장애물이다.

 

비용

양자 컴퓨터는 제작 및 유지 관리 비용이 많이 들고 첨단 기술과 극도로 낮은 온도(절대 영도에 가깝다)가 필요화다.

 

알고리즘 개발

현재 특정 문제(예: 큰 숫자 인수분해, 양자 시스템 시뮬레이션)만 양자 계산으로 큰 이점을 얻을 수 있다.

 

 

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Reference

https://ko.wikipedia.org/wiki/중첩_원리

https://ko.wikipedia.org/wiki/양자_얽힘

https://www.ibm.com/kr-ko/topics/qubit

https://namu.wiki/w/양자컴퓨터

https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_computing

https://investpension.miraeasset.com/contents/view.do?idx=17311