양자역학 레포트 - 양자컴퓨터의 개념과 원리, 활용 및 시장전망에 대해 서술하시오.

I. 서론

처음 양자컴퓨터를 들었을 때는 0과 1을 동시에 계산하니 기존 컴퓨터보다 모든 문제를 엄청나게 빨리 푸는 기계라고 생각했다. 양자역학 수업을 듣고 나니 그 설명은 편하지만 꽤 많은 것을 잘라낸 말이었다. 큐비트가 중첩 상태를 가질 수 있다는 사실만으로 답이 자동으로 나오지는 않는다. 측정하면 하나의 결과만 얻기 때문에 양자 알고리즘은 원하는 답의 확률진폭은 키우고 필요 없는 경로는 상쇄시키도록 간섭을 설계해야 한다. 얽힘도 계산 자원이 될 수 있지만 잡음에 약한 양자상태를 오래 보존해야 한다는 어려움이 따라온다. 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터를 통째로 대체할 범용 고속 기계라기보다 특정 문제에서 전혀 다른 계산 구조를 쓰는 장치로 보는 편이 정확하다. 시장 전망도 큐비트 숫자보다 오류를 얼마나 줄이고 실제 문제에 쓸 논리 큐비트를 만들 수 있는지가 중심이 돼야 한다.

II. 본론

1) 큐비트의 중첩과 간섭으로 계산하는 방식

고전 컴퓨터의 비트는 한 시점에 0 또는 1의 값을 가진다. 양자컴퓨터의 기본 정보 단위인 큐비트는 0 상태와 1 상태의 선형결합으로 표현될 수 있다. 각 상태 앞에는 복소수 확률진폭이 붙고, 진폭의 절댓값을 제곱한 값이 측정 결과의 확률과 연결된다. 중첩은 큐비트가 일상적인 의미에서 두 값을 몰래 동시에 가지고 있다는 뜻보다 측정 전 상태가 여러 기저 상태의 진폭으로 기술된다는 뜻에 가깝다. 양자 알고리즘은 이 진폭을 조절하는 계산이다.

양자 게이트는 큐비트 상태를 바꾸는 연산이다. 이상적인 닫힌 양자계의 시간 변화가 유니터리 연산으로 표현되듯 양자회로의 게이트도 상태 벡터의 확률 총합을 보존하면서 진폭과 위상을 변화시킨다. 한 큐비트의 중첩을 만드는 게이트, 위상을 바꾸는 게이트, 두 큐비트를 조건부로 연결하는 게이트를 조합해 회로를 만든다. 계산이 끝나면 큐비트를 측정해 고전적인 비트열을 얻는다. 같은 회로를 여러 번 실행하는 까닭은 한 번의 측정만으로 전체 확률분포를 알 수 없기 때문이다.

간섭은 양자 계산의 핵심이다. 확률진폭에는 위상이 있어서 계산 경로들이 만나면 서로 강화되거나 상쇄될 수 있다. 좋은 양자 알고리즘은 답 후보를 무작정 많이 만드는 데 그치지 않고 정답과 관련된 진폭이 커지도록 위상을 설계한다. 그로버 검색 알고리즘은 구조가 없는 N개 항목에서 원하는 항목을 찾는 질의 횟수를 고전적 선형 검색보다 제곱근 수준으로 줄일 수 있는 대표 사례다. 여기서도 모든 후보를 측정해서 한 번에 읽는 것이 아니라 반복되는 반사와 간섭으로 목표 상태의 측정 확률을 키운다.

얽힘은 여러 큐비트의 상태를 개별 큐비트 상태의 곱으로 분리해서 표현할 수 없는 양자 상관이다. 두 큐비트가 얽히면 전체 상태를 하나로 다뤄야 하며 한 부분의 측정 통계가 다른 부분과 강하게 연결된다. 얽힘은 양자 텔레포테이션과 여러 양자 알고리즘, 오류정정에서 중요한 자원으로 쓰인다. 다만 얽힘이 곧 빛보다 빠른 정보 전달을 뜻하지는 않는다. 측정 결과 자체는 확률적이고 통신 가능한 정보를 얻으려면 고전 통신이 함께 필요하다.