양자 컴퓨팅 설명: 컴퓨터가 물리 법칙을 깨뜨릴 때

양자 컴퓨팅이란 무엇이며 규칙을 어기는 이유

기존의 컴퓨터는 비트: 0 또는 1 인 값을 사용하여 정보를 처리합니다. 중간 지점이없는 모든 것이거나 아무것도 아닙니다. 고전적인 3 비트 컴퓨터는 한 번에 0 과 1 의 조합을 처리 할 수 있습니다. 양자 컴퓨터는 그러나 큐비트 (양자 비트), 우리가 알고 있는 물리학과는 완전히 다른 규칙을 따릅니다.

큰 차이점은 라는 개념에 있습니다 중첩. 큐비트는 측정될 때까지 동시에 0 과 1 이 될 수 있습니다. 불가능해 보입니다? 바로 그 때문에 고전적 논리를 깨뜨립니다. 보통의 컴퓨터는 각각의 가능성을 하나씩 테스트해야 하는 반면 양자 컴퓨터는 한 번에 여러 가능성을 탐색합니다. 중첩된 큐비트가 300 개에 불과하기 때문에 우주에 존재하는 원자보다 더 많은 가능한 상태를 갖게 됩니다.

이러한 기하급수적인 처리 능력은 Google, IBM, Microsoft와 같은 거대 기업이 양자 연구에 수십억 달러를 투자하는 이유입니다.

양자 계산의 기둥

중첩: 동시에 두 장소에 있는 것

중첩은 양자 컴퓨팅의 가장 직관적인 토대입니다. 고전적인 비트를 측정할 때는 이미 0 또는 1 입니다. 큐비트를 측정할 때는 0 또는 1 에서 발견될 가능성이 높지만 측정 전에는 두 상태에서 동시에 존재합니다. 이는 실제 값이 0 또는 1 인 것에 대한 무지가 아닙니다. 그것은 실제로 두 주 모두에 있습니다 관찰될 때까지.

이 행동은 유명한 이중 슬릿 실험에서 입증되었습니다: 입자는 한 번에 두 가지 경로를 거쳐 자신을 방해 할 수 있습니다. 그것은 양자 역학의 기초이며 양자 컴퓨터는이 원리를 정확히 탐구합니다. 중첩에서 큐비트가 많을수록 동시에 탐구 된 가능성의 공간이 커집니다.

얽힘: 설명할 수 없는 즉각적인 상관관계

얽힘 (얽힘) 은 중첩보다 훨씬 더 이상합니다. 두 개 이상의 큐비트가 얽히면 둘 사이의 거리에 관계없이 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태에 즉시 영향을 미칩니다. 아인슈타인은 그것을 "멀리서 으스스한 행동"이라고 불렀고 그것이 진짜라고 믿지 않았습니다.

하지만 그것은 현실이고 그렇습니다 양자 파워에 필수얽힌 양자 컴퓨터에서 큐비트를 측정하면 동반자에 대한 정보가 제공되어 기존 컴퓨터가 재현할 수 없는 상관 관계가 생성됩니다.

양자 간섭: 올바른 답변 증폭

양자 간섭은 양자 알고리즘이 정답의 확률을 확대하고 잘못된 것을 취소 할 수있게합니다. 마치 파도를 조정하여 능선 (정답) 이 높아지고 계곡 (잘못된 답변) 이 사라지게하는 것과 같습니다. 이러한 확률 조작이 없다면 큐비트에서 정답을 읽는 것은 단지 운의 문제 일 것입니다.

양자 컴퓨터가 실제로 작동하는 방식

물리적 양자 컴퓨터는 매우 섬세합니다. 큐비트는 일반적으로 강렬한 전자기장에 갇힌 원자,광자 또는 전자입니다. 열,진동, 방사선 및 방사선에 대한 모든 교란은 중첩을 파괴합니다. 그래서 대부분의 양자 컴퓨터는 양자 환경에서 작동합니다 절대 영도에 가까운 온도, -273°C에 관하여.

처리는 명확한 단계를 따릅니다: 부트스트랩 (중첩에서 큐비트 준비) 및 운영 (큐비트를 조작하는 양자 포트 적용) 또는 얽힘 (상관관계를 생성하기 위해 큐비트를 연결함) 및 측정 (중첩을 0 또는 1로 축소하는 결과를 얻습니다) 문제는 모든 오류가 계산을 손상시키기 때문에 큐비트를 항상 안정적으로 유지하는 것입니다.

현재 가장 진보된 양자 컴퓨터는 50~433 큐비트를 가지고 있다. IBM 은 2022 년에 433 큐비트에 도달했지만 여전히 높은 오류율에 직면하고 있다. 실제 문제를 해결하려면 수백만 개의 논리 큐비트에 도달하고 '아마도 10 년 이상의 연구'에 대한 오류를 대폭 줄여야 할 것이다.

양자 컴퓨팅이 해결할 수 있는 문제

인터넷 서핑이나 문서 편집과 같은 일상적인 작업의 경우 클래식 컴퓨터가 이상적으로 유지됩니다.하지만 큐비트가 기하 급수적으로 유리한 특정 필드가 있습니다.

암호화 및 보안: 양자 컴퓨터는 오늘날 사용되는 대부분의 암호화 시스템을 몇 분 만에 깨뜨릴 수 있습니다. 이로 인해 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터 모두에 저항하는 알고리즘인 포스트 양자 암호화가 개발되었습니다.

분자 시뮬레이션: 복잡한 분자를 시뮬레이션하는 것은 가장 유망한 용도 중 하나입니다. 새로운 약물,비료 또는 특정 특성을 가진 재료를 개발하려면 수십억 개의 조합을 테스트해야합니다. 양자 컴퓨터는이를 극적으로 빠르게 수행하여 잠재적으로 의학적 발견을 가속화 할 수 있습니다.

최적화: 유통망에서 가장 효율적인 경로를 찾거나,투자 포트폴리오를 최적화하거나,수백 개의 리소스를 예약하는 등의 문제는 QAOA (Quantum Approximate Optimization Algorithm) 와 같은 양자 알고리즘으로 더 빠르게 해결할 수 있습니다.

기계 학습: 일부 기계 학습 알고리즘은 정량적으로 가속화 될 수 있습니다. 수십억 개의 매개 변수가있는 모델을 교육하는 것은 계산 비용이 많이 듭니다; 양자 구현은이 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

현재의 과제와 미래를 향한 길

가장 큰 도전은 결맞음: 중첩 큐비트는 간섭에 노출되면 양자 상태를 빠르게 잃습니다. 일반적인 큐비트는 붕괴되기 전에 마이크로초 동안만 중첩을 유지합니다. 그 때 컴퓨터는 수십억 개의 작업을 수행해야 합니다.

또 다른 문제는 다음과 같습니다 양자 오류 수정고전적인 비트들과는 달리,단순히 큐비트를 복사하여 그 값을 확인할 수는 없는데,측정 결과 그 값이 파괴되기 때문입니다. 양자 중복성을 가진 시스템을 만들어야 하며,여러 물리적 큐비트를 사용하여 하나의 논리 큐비트를 보호할 수 있으며,신뢰할 수 있는 각 논리 큐비트에 1000 개의 물리적 큐비트가 필요한 것으로 추정됩니다.

이러한 도전에도 불구하고 진전은 가속화됩니다. 클라우드 양자 컴퓨터는 이미 사용 가능하며 IBM 은 Qiskit 플랫폼을 통해 시스템에 무료로 액세스 할 수 있습니다. 전 세계 연구원들은 알고리즘을 테스트하고 기술을 개선하고 있습니다. 향후 10 년 내에 제약,금융 및 에너지와 같은 산업의 실제 문제를 해결할 수있는 실질적인 능력을 갖춘 최초의 양자 컴퓨터를 보게 될 것으로 예상됩니다.

양자 컴퓨팅의 미래 영향

양자 컴퓨팅이 성숙하면 전체 산업을 변화시킬 것입니다. 의료 분야에서는 약물 개발이 수년에서 수개월로 가속화될 것입니다. 에너지 분야에서는 태양광 패널과 배터리의 최적화가 훨씬 더 효율적인 기술로 이어질 수 있습니다. 인공 지능에서는 더 복잡하고 강력한 신경망이 실행 가능해질 것입니다.

그러나 위험도 있습니다: 전통적인 암호화의 파괴는 진정한 위협입니다. 정부와 기업은 이미 양자 컴퓨터에 저항하는 암호화 표준으로 마이그레이션하고 있습니다. 또한 양자 컴퓨팅은 불평등을 증폭시킬 것입니다.

확실한 것은 우리가 역사적인 순간에 살고 있다는 것입니다.우리는 이론적 환상으로부터 기술적 현실로의 전환을 목격하고 있습니다. 양자 컴퓨터는 물리학의 법칙을 어기지 않습니다; 사실,그들은 마침내 그것을 제대로 이용합니다. 정보를 처리하기 위해 양자 역학을 마스터하는 것은 인류가 성취할 수 있는 가장 위대한 과학적 업적 중 하나이며,이 혁명은 이제 막 시작되었습니다.