퀀텀의 세계: 세상을 뒤바꿀 기술, 양자컴퓨터의 모든 것
서문
보통 양자컴퓨터를 이야기 할 때, 0과 1로 이루어진 컴퓨터를 고전컴퓨터, 0과 1 그리고 그 둘의 중첩상태로 이루어진 컴퓨터를 양자컴퓨터라고 한다. 나는 이런 분류에서 기인한 오류를 한 가지 가지고 있었다. 고전컴퓨터는 고전 물리를 바탕으로 한 발명품이고, 양자컴퓨터는 양자물리를 바탕으로 한 발명품이라고.
사실 위의 두 컴퓨터에 대한 정의에서 빠진 것이 있다. 0과 1, 중첩 상태는 비트에 의해 표현된다. 고전컴퓨터는 반도체의 0, 5 V 를 이용해 이를 표현하고, 양자컴퓨터는 큐비트(양자 또는 전자 등)로 표현한다. 고전컴퓨터의 반도체 또한 전자의 이동에 의해 0과 1을 표현하니, 양자물리가 적용된 발명품이란다. (물리학과 친구의 말인데 내가 완벽히 이해하지 못했을 수도 있다 …)
책 소개
책의 내용으로 들어가보자. 책은 양자의 기본 개념부터 시작해 양자물리의 발달 과정, 그 원리를 이용한 양자컴퓨터, 그 위에서 실행 가능한 양자알고리즘, 여기서 파생된 양자암호통신에 대해 설명한다.
양자 기본 체계
양자물리를 이해할 수 있는 사람은 아무도 없다는 명제 하에 다음의 요약된 기본 체계를 외워보자. (p.80)
- 삼라만상은 입자이면서 파동이다.
- 물체는 중첩상태 혹은 고유상태에 있다.
- 중첩된 상태를 측정하면 하나의 고유상태만 남고, 나머지는 모두 붕괴되어 사라진다. 즉, 측정 행위는 상태를 변화시킨다.
- 어느 고유상태가 남는지는 무작위로 결정된다.
- 한 고유상태가 측정될 확률은 물질파의 진폭의 제곱에 비례한다.
큐비트 연산
이 책이 내가 이전까지 접했던 다른 양자컴퓨터 컨텐츠와 달랐던 점은 큐비트의 연산 과정을 다룬 점이라고 생각한다. 회전연산과 CNOT이 주요 연산으로 소개되어 있다.
책의 설명 중 특정부분()에 덧붙이자면, 우리는 양자(또는 전자)를 x,y,z축 중 한 곳을 기준으로 측정할 수 있다. 예를 들어 우리가 양자를 측정해 스핀업 상태(비트 1의 상태)를 관측했다는 것은 x축에 대해 측정한 것이다. 나머지 축 y와 z에 대해서 양자스핀은 여전히 중첩상태이다.
양자컴퓨터 구현 방식
양자컴퓨터의 구현 방식으로는 핵자기공명, 이온덫, 초전도소자 순으로 주목을 받았다. 이 외에도 반도체기반스핀, 양자점, 공진기 등이 있다. 저자에 따르면 100개의 큐비트를 가진 양자컴퓨터를 만들어야, 이론적으로 사용할만한 양자컴퓨터라고 한다. 따라서 각 방식을 이용해 최대 몇 개의 큐비트를 만들었는지로 기술의 발전 정도를 따진다고 한다. 현재는 초전도소자 방식이 제일 많은 큐비트를 만들 수 있다고 한다.
캐나다의 D-Wave에 대한 소개도 있었다. 이곳에서 만든 양자컴퓨터는 큐비트 수가 이미 100개가 넘었다. 하지만 고전컴퓨터에도 아날로그 방식과 디지털 방식이 있듯이, D-Wave의 양자컴퓨터는 아날로그 방식(양자 어닐링)이고, 우리가 흔히 사용하는 디지털 방식의 양자컴퓨터는 위의 방식과 같이 만들어야 한다고 한다. 고전 어닐링 방식은 주어진 문제에 대해 특정 부분에서만 빠른 것으로 결론이 나고 있다고 한다.
참고로 D-Wave가 물리학회에서 자신들의 컴퓨터를 발표하려고 할 때 있었던 헤프팅을, 현장에 있었던 저자를 통해 들을 수도 있다.
정리
양자컴퓨터에 대해 교양수준으로, 자세히 알고 싶다면 이 책을 추천한다.