양자 컴퓨팅의 일련의 혁신
현재 고전적 또는 전통적 컴퓨터라고 불리는 일반 컴퓨터는 0과 1(XNUMX과 XNUMX)의 기본 개념으로 작동합니다. 우리가 물어볼 때 컴퓨터 수학적 계산이나 약속 예약 또는 일상 생활과 관련된 모든 작업과 같은 작업을 수행하기 위해 주어진 순간에 이 작업을 0과 1의 문자열로 변환(또는 변환)합니다(이를 입력), 이 입력은 알고리즘(컴퓨터에서 작업을 완료하기 위해 따라야 하는 일련의 규칙으로 정의됨)에 의해 처리됩니다. 이 처리 후에 0과 1의 새로운 문자열이 반환되고(출력이라고 함), 이는 예상 결과를 인코딩하고 사용자가 컴퓨터가 수행하기를 원하는 작업에 대한 "답변"으로 더 간단한 사용자 친화적인 정보로 다시 변환됩니다. . 알고리즘이 얼마나 똑똑하고 영리하게 나타날 수 있고 작업의 난이도 수준이 무엇이든 간에 컴퓨터 알고리즘은 각 비트가 0 또는 1인 비트 문자열 조작이라는 한 가지 일만 수행한다는 것은 매혹적입니다. 조작은 컴퓨터(소프트웨어 쪽)에서 발생하고 기계 수준에서는 전기 회로(컴퓨터 마더보드)로 표시됩니다. 하드웨어 용어로 전류가 이러한 전기 회로를 통과할 때 전류가 없을 때 닫히고 열려 있습니다.
고전 대 양자 컴퓨터
따라서 고전적인 컴퓨터에서 비트는 0 또는 1의 두 가지 가능한 상태로 존재할 수 있는 단일 정보입니다. 양자 컴퓨터에서는 일반적으로 양자 비트('큐비트'라고도 함)를 사용합니다. 이들은 두 가지 상태를 가진 양자 시스템이지만 일반적인 비트(0 또는 1로 저장됨)와 달리 큐비트는 훨씬 더 많은 정보를 저장할 수 있으며 이러한 값의 가정에도 존재할 수 있습니다. 더 나은 방식으로 설명하기 위해 큐비트는 가상의 구로 생각할 수 있습니다. 여기서 큐비트는 구의 임의의 점이 될 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 주어진 시간에 둘 이상의 상태로 존재하면서도 여전히 상호 배타적인 아원자 입자의 능력을 이용한다고 말할 수 있습니다. 반면에 클래식 비트는 두 가지 상태(예: 구의 두 극 끝)에만 있을 수 있습니다. 우리는 일상 생활에서 이러한 '중첩'을 볼 수 없습니다. 왜냐하면 체계를 전체적으로 보면 이러한 중첩이 사라지고 이러한 중첩에 대한 이해가 불분명하기 때문입니다.
이것이 컴퓨터에 의미하는 바는 큐비트를 이용한 양자컴퓨터는 기존 컴퓨터에 비해 적은 에너지로 엄청난 양의 정보를 저장할 수 있어 상대적으로 연산이나 계산이 양자컴퓨터에서 훨씬 빠르게 이루어질 수 있다는 것이다. 따라서 기존 컴퓨터는 0 또는 1을 사용할 수 있으며, 이 컴퓨터의 두 비트는 네 가지 상태(00, 01, 10 또는 11)가 될 수 있지만 주어진 시간에 하나의 상태만 표시됩니다. 반면에 양자 컴퓨터는 중첩될 수 있는 입자를 사용하여 컴퓨터를 '이진 제약'에서 해방시키는 중첩 특성으로 인해 XNUMX개의 큐비트가 동시에 정확히 동일한 XNUMX개의 상태를 나타낼 수 있도록 합니다. 이는 동시에 XNUMX대의 컴퓨터가 실행되는 것과 동일할 수 있으며 이러한 큐비트를 추가하면 양자 컴퓨터의 성능이 기하급수적으로 증가합니다. 양자 컴퓨터는 또한 알베르트 아인슈타인이 정의한 '양자 얽힘'이라는 양자 물리학의 또 다른 속성을 활용합니다. 얽힘은 양자 입자가 공간 내 위치에 관계없이 연결되고 통신할 수 있게 하는 속성입니다. 우주 따라서 한 상태를 변경하면 다른 상태에 즉시 영향을 미칠 수 있습니다. '중첩'과 '얽힘'의 이중 능력은 원칙적으로 매우 강력합니다. 따라서 양자컴퓨터가 달성할 수 있는 성과는 기존 컴퓨터와 비교할 때 상상조차 할 수 없는 수준이다. 이 모든 것이 매우 흥미롭고 간단해 보이지만 이 시나리오에는 문제가 있습니다. 양자 컴퓨터가 큐비트(중첩 비트)를 입력으로 사용하면 출력도 양자 상태와 유사하게 됩니다. 즉, 중첩 비트가 있는 출력은 상태에 따라 계속 변경될 수도 있습니다. 이러한 종류의 출력은 그렇지 않습니다. 실제로 모든 정보를 수신할 수는 없으므로 양자 컴퓨팅 기술에서 가장 큰 과제는 이 양자 출력에서 최대한 많은 정보를 얻는 방법을 찾는 것입니다.
양자 컴퓨터가 여기에있을 것입니다!
양자 컴퓨터는 정보 처리에 대해 완전히 새로운 접근 방식을 취하는 양자 역학의 원리를 기반으로 하는 강력한 기계로 정의될 수 있습니다. 그들은 항상 존재했지만 일반적으로 숨겨져 있던 복잡한 자연 법칙을 탐구하려고 합니다. 이러한 자연 현상을 탐색할 수 있다면 양자 컴퓨팅은 정보를 처리하는 새로운 유형의 알고리즘을 실행할 수 있으며 이는 재료 과학, 신약 발견, 로봇 공학 및 인공 지능 분야에서 혁신적인 혁신을 가져올 수 있습니다. 양자컴퓨터에 대한 아이디어는 1982년 미국의 이론물리학자 리처드 파인만(Richard Feynman)이 제안했습니다. 그리고 오늘날 IBM, Microsoft, Google, Intel 등의 기술 기업과 MIT, Princeton University 등의 학술 기관에서 양자 컴퓨터에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 주류 양자 컴퓨터를 만들기 위한 컴퓨터 프로토타입. IBM(International Business Machines Corp.)은 최근 자사 과학자들이 강력한 양자 컴퓨팅 플랫폼을 구축했으며 액세스가 가능하다고 밝혔지만 대부분의 작업을 수행하는 데는 충분하지 않다고 밝혔습니다. 그들은 현재 개발 중인 50큐비트 프로토타입이 현재 기존 컴퓨터가 수행하는 많은 문제를 해결할 수 있으며 미래에는 50~100큐비트 컴퓨터가 그 격차를 크게 메울 것이라고 말합니다. 알려진 원자 수보다 더 많은 계산을 동시에 수행합니다. 우주. 현실적으로 말하면, 양자 컴퓨터가 실제로 어려운 작업에서 기존 컴퓨터보다 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 길은 어려움과 도전으로 가득 차 있습니다. 최근 인텔은 회사의 새로운 49큐비트 양자 컴퓨터가 불과 17개월 전에 2비트 큐비트 시스템을 시연했던 회사의 주요 발전으로 이러한 "양자 우월성"을 향한 한 단계를 의미한다고 선언했습니다. 그들의 우선순위는 큐비트 수를 늘리는 것이 실제 결과를 제공할 수 있는 양자 컴퓨터를 만드는 열쇠라는 이해를 바탕으로 프로젝트를 계속 확장하는 것입니다.
재료는 양자 컴퓨터 구축의 핵심입니다.
재료 실리콘은 주요 기능 세트로 인해 일반(또는 클래식) 컴퓨팅에 매우 적합하기 때문에 수십 년 동안 컴퓨팅의 필수적인 부분이었습니다. 그러나 양자 컴퓨팅에 관한 한 실리콘 기반 솔루션은 주로 두 가지 이유로 인해 채택되지 않았습니다. 첫 번째는 실리콘에서 제조된 큐비트를 제어하기 어렵고 두 번째는 실리콘 큐비트가 다른 큐비트만큼 확장될 수 있는지 여부가 여전히 불분명하다는 것입니다. 솔루션. 인텔은 최근에 크게 발전했습니다.1 기존 실리콘에서 생성되는 '스핀 큐비트'로 알려진 새로운 유형의 큐비트입니다. 스핀 큐비트는 반도체 전자 장치와 매우 유사하며 실리콘 장치에서 단일 전자의 스핀을 활용하고 미세한 마이크로파 펄스로 움직임을 제어하여 양자 전력을 전달합니다. 인텔이 이러한 방향으로 움직이도록 한 두 가지 주요 이점은 첫째, 회사로서의 인텔이 이미 실리콘 산업에 막대한 투자를 했으며 따라서 실리콘에 대한 올바른 전문 지식을 보유하고 있다는 것입니다. 둘째, 실리콘 큐비트는 기존 큐비트보다 작기 때문에 더 유리하고 더 오랜 시간 동안 일관성을 유지할 것으로 예상됩니다. 이는 양자 컴퓨팅 시스템을 확장해야 하는 경우(예: 100큐비트에서 200큐비트로) 매우 중요합니다. 인텔은 이 프로토타입을 테스트하고 있으며 회사는 수천 개의 작은 큐비트 어레이를 가진 칩을 생산할 것으로 기대하고 있으며 대량으로 생산할 경우 양자 컴퓨터를 확장하는 데 매우 유용할 수 있고 진정한 게임체인저가 될 수 있습니다.
에 발표된 최근 연구에서 과학, 광결정을 위해 새롭게 설계된 패턴(즉, 광칩에 구현된 결정 설계)이 미국 메릴랜드 대학의 팀에 의해 개발되었습니다.2. 이 광자는 알려진 가장 작은 양의 빛이며 이 결정은 빛이 상호 작용하도록 하는 구멍으로 고정되어 있습니다. 다른 구멍 패턴은 빛이 크리스탈을 통해 구부러지고 반사되는 방식을 변경하며 여기에 수천 개의 삼각형 구멍이 만들어졌습니다. 이러한 단일 광자의 사용은 양자 컴퓨터를 만드는 과정에서 중요합니다. 컴퓨터는 현재 컴퓨터가 할 수 없는 많은 수와 화학 반응을 계산할 수 있는 능력을 갖게 되기 때문입니다. 칩의 설계는 양자 컴퓨터 간의 광자 전송이 손실 없이 발생하도록 합니다. 이 손실은 또한 양자 컴퓨터에 대한 큰 도전으로 여겨져 왔으며 따라서 이 칩은 문제를 처리하고 효율적인 경로를 허용합니다. 양자 한 시스템에서 다른 시스템으로 정보.
미래
양자 컴퓨터는 기존의 슈퍼컴퓨터를 훨씬 능가하는 계산을 수행할 것을 약속합니다. 그들은 원자 수준까지 물질의 거동을 시뮬레이션할 수 있게 함으로써 새로운 물질의 발견에 혁명을 일으킬 잠재력을 가지고 있습니다. 또한 데이터를 더 빠르고 효율적으로 처리하여 인공 지능 및 로봇에 대한 희망을 구축합니다. 상업적으로 실행 가능한 양자 컴퓨팅 시스템을 제공하는 것은 이 연구가 여전히 개방적이고 모두에게 공정한 게임이기 때문에 향후 몇 년 동안 주요 조직에서 수행할 수 있습니다. 앞으로 1~XNUMX년 안에 주요 발표가 있을 것으로 예상되며 이상적으로는 일련의 발전이 이루어지고 있으며 엔지니어링 문제가 해결되어야 하고 XNUMX만 큐비트 이상의 양자 컴퓨터가 현실화되어야 합니다.
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출처
1. Castelvecchi D. 2018. 실리콘은 양자 컴퓨팅 경쟁에서 우위를 점하고 있습니다. 자연. 553(7687). https://doi.org/10.1038/d41586-018-00213-3
2. Sabyasachi B. et al. 2018. 토폴로지 양자 광학 인터페이스. 과학. 359(6376). https://doi.org/10.1126/science.aaq0327
