양자 컴퓨터 (1) - 양자 현상 및 양자의 특성

* 본 포스팅은 서울대학교 김태현 교수님의 '양자 컴퓨팅과 양자 암호 기술의 현재와 미래' 강의를 참고하여 작성 되었습니다.

 

 

 언젠가 '양자 컴퓨터'라는 용어를 들어본 적이 있다. '양자 역학과 관련된 것인가?'라는 생각이 떠올랐는데 도무지 양자역학과는 매칭이 되지 않았다. 회사에서 양자컴퓨터와 관련된 '양자 컴퓨팅과 양자 암호 기술의 현재와 미래'라는 좋은 강의자료가 있어서 수강했고, 양자컴퓨터에 대해 간략하게나마 이해할 수 있게 되어서 블로그에 간단하게 정리해보려 한다.

 아마 6개? 정도의 포스팅에 걸쳐 양자컴퓨터에 대한 전반적인 내용을 다룰 예정이다. 레츠-고오!

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양자 현상이란?

 내가 기존에 알고 있기로 양자 현상이랑 '불확실성'이다. 예전에 양자 역학을 주장하던 과학자들이 양자역학을 도무지 이해할 수 없다던 아인슈타인에게 양자역학을 이해시키려고 했던 어떤 과학자의 질문이 생각이 난다. 창 밖에 달이 크게 떠있는 상황에 양자역학을 주장하던 과학자들은 아인슈타인에게 눈을 감아보라고 한 뒤 이렇게 물었다.

 

"지금 밖에 달이 떠있다고 확신하나요?"

 

 우리가 듣기에도 어처구니 없는 이 질문에 대해 양자역학의 세계에서는 '확신할 수 없습니다.'가 답이 된다.

 

 빛은 파동의 성질도 가지고 입자의 성질도 가지고… 어쩌고 저쩌고… 아인슈타인도 이해하지 못한 양자역학을 내 얕은 지식으로 공부하고 설명하기는 너무 어렵다. 그래서 양자역학을 그냥 '불확실성'이라는 정도만 이해해두자.

 

 양자현상의 정의는 '연속적일 것으로 생각했던 물리적인 값들이 사실 불연속적인 덩어리의 합으로 존재하고, 이들 간의 중첩이나 위상정보 등으로 인해 직관적이지 않은 결과들이 발생하는 현상'이다.

 

 듣자마자 어렵다. 차근차근 개념을 이해해나가보도록 하자!

 

참고로 양자화란 '연속적인 아날로그 값을 불연속적인 디지털 값으로 근사화시키는 과정'이다. 이후 설명에 종종 등장하는 용어이니 기억 정도만 해두자.

 

빛을 포함한 이 세상을 구성하는 모든 입자들이 양자 현상을 따른다. 만약 미시 시계를 관측할 수 있는 눈이 있다면 이를 확인할 수 있다. 이제부터 이루어질 설명에서는 모두 빛을 입자라고 가정한다.

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양자 정보 기술 및 구현 방법

 양자 역학을 이용한 양자 정보 기술은 다음과 같다. (응용 분야에 따른 분류)

1. 양자 컴퓨터
2. 양자 시뮬레이터
3. 양자 암호 통신
4. 양자 센서: 양자 역학 현상을 이용해 높은 정밀도와 감도를 가지는 센서를 개발

 양자 기술을 구현하는 방법은 다음과 같다. (구현 방식에 따른 분류)

1. 광자 기반
2. 이온 트랩 / 중성원자
3. 양자점 / NV center
4. 초전도체

 예를 들어 광자를 기반으로 양자 암호 기술을 구현할 수 도 있고, 초전도체로 양자 컴퓨터 기술을 구현할 수도 있다.

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양자의 특성

양자의 특성은 크게 4가지가 있다.

1. 양자의 중첩: 확률적으로 두 양자 상태가 동시에 존재
2. 양자의 얽힘: 물리적으로 완전히 분리된 두 물질이 상호작용하는 현상
3. 양자 취약성: 측정과 동시에 한 상태로 결정
4. 양자 복제 불가능성: 어떤 양자와 동일한 양자를 생성할 수 없음

위 4가지 특성을 기반하여 여러 양자 기술이 구현된다.

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 아직 양자컴퓨터가 무엇인지, 양자는 뭐하는 놈인지 이해가 안 되겠지만 이어질 포스팅을 따라가다보면 아마 얼추(?) 이해는 가지 않을까 싶다.

 

 다음 포스팅에서는 본격적으로 양자의 특성 중 양자의 중첩 원리에 대해 정리할 예정이다.