양자 컴퓨터란?

'양자 컴퓨터'의 양자는, 우리가 방금 이야기했던 양자역학의 신비로운 원리들을 컴퓨터 계산에 직접 적용했다는 의미입니다. 기존 컴퓨터와 근본적으로 다른 방식으로 작동하기 때문에, 현재 컴퓨터로는 풀기 불가능한 문제를 해결할 수 있을 것으로 기대되는 기술입니다.

쉽게 예를 들어 설명해 드릴게요.

기존 컴퓨터: '동전'으로 계산

• 기존 컴퓨터는 비트(bit)라는 단위로 정보를 처리합니다.
• 비트는 0 또는 1이라는, 딱 두 가지 상태만 가질 수 있습니다.
• 이것은 마치 '동전'을 생각하면 됩니다. 동전은 앞면(1) 또는 뒷면(0)이라는 두 가지 상태 중 하나만 가질 수 있습니다.
• 100개의 동전이 있으면, 각각의 동전은 앞면이거나 뒷면이므로, 총 100개의 정보를 순차적으로 처리합니다.

양자 컴퓨터: '돌아가는 팽이'로 계산

• 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 단위로 정보를 처리합니다.
• 큐비트는 0과 1이 동시에 존재하는 상태를 가질 수 있습니다. 이것을 양자 중첩(superposition)이라고 부릅니다.
• 이것은 마치 '돌아가는 팽이'를 생각하면 됩니다. 팽이가 돌아갈 때는 앞면도 뒷면도 아닌, 앞면과 뒷면이 동시에 존재하는 상태입니다. 이 팽이를 멈추게(관측) 하면 비로소 앞면이나 뒷면으로 결정되죠.
• 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있기 때문에, 단 1개의 큐비트만으로도 2가지 상태(0, 1)를 동시에 나타낼 수 있습니다.
• 2개의 큐비트는 00, 01, 10, 11 이라는 4가지 상태를 동시에 처리할 수 있고, n개의 큐비트는 2n개의 상태를 동시에 처리할 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 '마법' - 병렬 계산

예를 들어, 아주 복잡한 미로의 출구를 찾는 문제를 풀어야 한다고 가정해 봅시다.

• 기존 컴퓨터: 모든 길을 하나씩 순서대로(직렬로) 탐색하며 출구를 찾습니다. 시간이 오래 걸리겠죠.
• 양자 컴퓨터: 모든 길을 동시에(병렬로) 탐색합니다. 마치 무한히 많은 복제된 내가 한꺼번에 모든 길을 탐색하는 것과 같습니다. 이 과정에서 '양자 간섭'이라는 현상을 이용해 오답일 가능성이 높은 경로들은 서로 상쇄시키고, 정답일 가능성이 높은 경로들만 강화시켜서 매우 빠르게 답을 찾아냅니다.

이러한 특성 때문에 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터로는 수십억 년이 걸릴 계산을 몇 초 만에 해낼 수 있을 것으로 기대됩니다. 주로 신약 개발, 신소재 연구, 금융 시장 예측, 인공지능, 그리고 현재의 암호 체계를 무력화하는 암호 해독 등에 활용될 것으로 전망됩니다.

따라서 양자 컴퓨터에서 '양자'는 기존 컴퓨터의 비트와 달리 중첩과 얽힘 같은 양자역학적 특성을 활용하여 계산하는 새로운 방식의 컴퓨터를 의미한다고 이해하시면 됩니다.

 

★ 질문을 통해 개념 찾아가기

질문1)

양자 간섭이라는 현상을 이용해 오답일 가능성이 높은 경로들은 서로 상쇄한다는건 예를 들어 11101110을 복사하련, 기존에는 nand, or, and 게이트 등을 가지고 연산작업을 해야 했지만, 양자 컴퓨터는 8개 비트를 병렬처리 처럼 동시에 비트값을 한번에 찾아내므로써, 기존 게이트 연산으로 작업하는것보다 훨씬 빠르게 작업처리를 한다는 뜻인가요?

 

말씀하신 내용은 양자 컴퓨터의 '병렬 처리' 능력에 대한 훌륭한 이해를 보여주지만, '양자 간섭'이 작동하는 방식과는 조금 다른 측면을 설명하고 있습니다.

정확하게 설명하자면, 양자 컴퓨터는 단순히 복사나 게이트 연산을 빠르게 하는 것 이상의 능력을 가지고 있습니다. "오답을 상쇄한다"는 것은 단순한 병렬 처리 이상의, 양자역학적인 현상에 기반한 연산 방식입니다.

복사와 병렬 처리의 차이

1. 단순 복사 (No-cloning theorem)
   • 양자 컴퓨터는 알려지지 않은 양자 상태를 '복사'할 수 없습니다. '복제 불가능성 정리(No-cloning theorem)' 때문에, 큐비트를 11101110처럼 그대로 복제하는 것은 불가능합니다.
   • 따라서 11101110을 복사하는 작업 자체는 기존 컴퓨터와 다르게 접근해야 합니다.
2. 병렬 처리 (Superposition)
   • 말씀하신 대로, 양자 컴퓨터는 n개의 큐비트로 2n개의 상태를 동시에 표현할 수 있습니다. 예를 들어, 3개의 큐비트는 000부터 111까지 8가지 상태를 한 번에 중첩 상태로 가질 수 있습니다.
   • 이것을 '병렬 처리'라고 부르는 것은 맞습니다. 하지만 단순히 동시에 여러 연산을 하는 것 이상의 의미가 있습니다.

양자 간섭(Quantum Interference)의 진정한 의미

양자 컴퓨터의 진정한 힘은 병렬 처리 + 양자 간섭에 있습니다.

예를 들어, 미로 찾기 문제로 다시 돌아가 보겠습니다.

• 1단계: 중첩 (병렬 탐색)
  • 양자 컴퓨터는 미로의 모든 가능한 길을 한꺼번에(중첩 상태로) 탐색하기 시작합니다. 마치 모든 가능한 경로를 동시에 '탐색하는 파동'을 만드는 것과 같습니다.
• 2단계: 간섭 (오답 상쇄, 정답 강화)
  • 이 '탐색하는 파동'들이 서로 교차하고 간섭합니다.
  • 오답 경로를 따라가는 파동들은 서로 '상쇄 간섭'을 일으켜 사라집니다. 마치 두 파동이 만나서 서로를 없애는 것처럼 말이죠.
  • 정답 경로를 따라가는 파동들은 서로 '보강 간섭'을 일으켜 점점 더 강해집니다.
• 3단계: 측정 (결과 확인)
  • 최종적으로 간섭이 끝난 뒤, 우리가 큐비트를 '측정'하면 가장 강하게 남은 파동, 즉 '정답'이 나올 확률이 압도적으로 높아집니다.

따라서 말씀하신 내용을 정확하게 수정하면 다음과 같습니다:

양자 컴퓨터는 11101110과 같은 비트열을 단순 복사하거나, NAND, OR 게이트 같은 연산 작업을 병렬 처리로 대체하는 것이 아니라, 28개의 모든 가능한 비트열 상태(00000000 ~ 11111111)를 동시에 중첩 상태로 만든 후, '양자 간섭'을 통해 정답일 가능성이 높은 상태는 강화하고, 오답일 가능성이 높은 상태는 상쇄시키는 방식으로 원하는 답을 한 번의 연산으로 매우 빠르게 '확률적으로' 찾아내는 것입니다.

결국, 양자 컴퓨터는 '더 빠른 계산'을 넘어, '계산 자체의 방식을 혁신'하는 기술이라고 이해하는 것이 더 정확합니다.

 

 

★★ 질문을 통해 개념 찾아가기

질문2)

0000000~1111111의 값들을 동시에 중첩 즉, 한곳에 한꺼번에 쌓아둔 것처럼 중첩된 상태에서 11101110의 양자신호를 보내서 정답일 가능성, 즉, 전체 값들 중에서 정답일 가능성이 높은 신호값만 살아남고 나머지는 상쇄되는데, 이것을 기존에는 연산처리를 하는데 오래 걸렸지만, 양자로 전체를 3단계, 즉, 병렬 탐색, 전체를 탐색 시켜주고, 오답상쇄, 정답 강화, 즉, 11101110인 것만 남기고 나머지는 상쇄되어 없어지게 해서, 마지막 단계인 정답경로, 11101110을 단 한번의 연산으로 처리되어 기존보다 연산 속도가 월등하게 빨라지는 기법인가요?

 

정확하게 이해하셨습니다! 말씀하신 내용이 양자 컴퓨터의 핵심 작동 원리를 아주 잘 요약하고 있습니다.

다시 한번 정리해 드리면 다음과 같습니다:

1. 초기화 (중첩 상태):
   • 8개의 큐비트를 준비합니다.
   • 이 8개의 큐비트는 28 (256)개의 모든 가능한 상태(00000000부터 11111111까지)를 동시에 중첩된 상태로 만듭니다. 이것이 바로 병렬 탐색의 첫걸음입니다. 모든 가능성이 한곳에 '한꺼번에 쌓여있는' 상태입니다.
2. 연산 (양자 간섭):
   • 문제에 맞는 특정 양자 연산(게이트)을 적용합니다. 이 연산은 11101110이 정답이 되도록 설계됩니다.
   • 이 연산이 진행되는 동안, 중첩된 모든 상태들이 서로 '간섭(interference)'을 일으킵니다.
   • 오답 상태들(11101110이 아닌 모든 상태들)은 서로 만나서 '상쇄 간섭'을 일으켜 확률이 낮아지거나 사라집니다.
   • 정답 상태(11101110)는 같은 상태의 파동들이 만나서 '보강 간섭'을 일으켜 확률이 극도로 높아집니다.
3. 측정 (결과 확인):
   • 마지막 단계에서 큐비트의 상태를 측정(Measurement)합니다.
   • 양자역학의 원리에 따라, 측정하는 순간 중첩 상태는 무너지고 확률이 가장 높은 하나의 상태로 결정됩니다.
   • 간섭을 통해 11101110의 확률이 압도적으로 높아졌으므로, 이 상태가 나올 가능성이 거의 100%에 가깝습니다.

이 모든 과정은 단 한 번의 연산으로 이루어지며, 기존 컴퓨터가 256번의 연산을 순차적으로 해야 하는 것과 비교했을 때, 압도적으로 빠른 속도를 자랑합니다.

따라서, 말씀하신 "양자 간섭이라는 현상을 이용해 오답일 가능성이 높은 경로들은 서로 상쇄한다는건... 마지막 단계인 정답경로, 11101110을 단 한번의 연산으로 처리되어 기존보다 연산 속도가 월등하게 빨라지는 기법"이라는 설명은 매우 정확합니다. 양자 컴퓨터의 핵심 원리를 완벽하게 파악하신 것입니다.

 

왼쪽의 단일한 파란색 선은 기존 컴퓨터가 하나의 경로(연산)를 순차적으로 탐색하는 모습을 상징합니다. 반면, 오른쪽의 여러 갈래로 뻗어나가는 형형색색의 선들은 양자 컴퓨터가 모든 가능한 경로를 동시에 탐색하는 '중첩' 상태를 나타냅니다. 이 복잡한 경로들이 한곳으로 집중되면서 오답은 사라지고 정답만 남는 '간섭' 현상을 거쳐, 최종적으로 하나의 밝은 황금색 결론에 도달하는 것을 보여줍니다.