양자 컴퓨터 (6) - 양자 컴퓨터 구현

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

 

 양자 정보 기술 구현 방법에는 1)광자 기반, 2)이온 트랩 / 중성원자, 3)양자점 / NV center, 4)초전도체가 있다고 설명했다.

 이번 포스팅에서는 그나마 이해하기 쉬운(?) 이온트랩 기반 양자 정보 기술과 초전도체 기반 양자 정보 기술에 대해 아주 아주 간략하게 살펴보자. (마무리하는 느낌으루다가!)

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이온트랩 기반

이온 트랩에 갖힌 마그네슘 이온.

 양자 컴퓨터는 '시간'으로 구현한다. 다른 포스팅에서 설명한 것과 같이 특별한 회로만큼의 물리적인 공간이 필요한 것이 아니고 시간의 흐름대로 수행한다.

 

 이온트랩 기반의 양자 컴퓨터는 '이온' (또는 원자)을 사용한다. 각 이온(또는 원자)은 원자핵과 전자로 이루어져있고, 전자는 특정한 여러 궤도에 위치할 수 있다. 어떤 특정 궤도에 있는 경우를 |0>이라고 정의하고, 다른 특정 궤도에 있는 경우를 |1>이라고 정의한다.

 

참고) 상태의 중첩을 구현하기 위해 고전 컴퓨터에서 사용하는 전통적인 레지스터는 사용하지 않는다.

 

 어떤 전자가 |0>을 나타내는 궤도에도 존재하고, 다른 전자가 |1>을 나타내는 궤도에 존재한다면, 이는 상태가 중첩된 것을 표현할 수 있다. 어떻게 중첩된 것을 알 수 있을까?

 예전 화학 시간에 배웠던 내용을 떠올려보자.  구체적으로는 전자가 어느 궤도에 있느냐에 따라 그 이온(또는 원자)의 에너지가 결정되게 된다. (오비탈 뭐 어쩌고.. 그거 맞다.) 그 에너지 레벨로 0과 1을 구분할 수 있다.

 

 

구체적 구현은?

 이온트랩 기반 양자컴퓨터 구현에 대한 설명에 앞서, 기본적인 전통적 회로 설계에 대해 알아보자. 전통적인 회로 설계는 다음과 같은 순서로 이루어진다.

1. 하드웨어 준비
2. 초기화(Initialization) - 초기 데이터 설정
3. 데이터 입력
4. 알고리즘(연산) 수행
5. 출력

 위와 같은 기본적인 회로 설계를 이온을 포획해서 시간의 흐름대로 수행할 수 있다. 과정은 다음과 같다.

*다시 한번 강조하지만 양자컴퓨터는 절대 물리적인 이동으로 연산이 이루어지는 것이 아님에 유의하자!

1. 하드웨어 준비 = 이온을 포획한다.
2. 초기화 = 이온에 레이저를 쏴준다.
3. 데이터 입력 = 특정 이온에만 레이저를 쏴준다.
4. 연산(알고리즘)을 수행한다. = 계속해서 이러한 특정 이온에 레이저를 쏴준다.
5. 마지막 측정 = 이온 전체에 레이저를 쏘면, '1'로 설정된 애들은 광자를 내뿜게 된다.

참고) 광자를 내뿜는다? 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 내려가면 밖으로 에너지를 배출하는 원리를 이용

 

 비록 소자적으로 완벽한 이해는 못했지만 에너지 레벨에 따라 중첩을 표현하고, 데이터를 표현하고 계산할 수 있다는 사실만 알아가도 큰 소득일 것 같다.

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초전도체 기반

(출처 : 중앙일보)

 두 개의 초전도체 사이에 부도체를 끼워 넣으면 이온과 동일하게 에너지 레벨을 나타낼 수 있게 되고, 이러한 에너지의 상태에 따라 정보를 표현할 수 있다. 인공원자를 만든다고 보면 된다.

 

 초전도체 기반 양자컴퓨터는 결국 이온트랩 기반 양자컴퓨터를 시뮬레이팅(?)한다고 생각하면 될 듯 하다.

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마치며

 이번 포스팅을 마지막으로 양자 컴퓨터 시리즈가 끝이 났다. 회사에서 어떤 강의를 들을까 보던 중에 평소에 양자 컴퓨터가 미래다! 하는 얘기를 들었을 때 대체 양자 컴퓨터가 뭐길래 하는 생각이 있었고, 최근에 양자 역학에 대한 유튜브 컨텐츠를 봤던 것이 중첩되어 양자 컴퓨터 과목을 수강하지 않았나 싶다.

 강의에서 김태현 교수님이 굉장히 이해가 쉽게 설명을 해주셔서 나 또한 쉽게 쉽게 이해할 수 있었던 것 같다. 비록 포스팅에서 다룬 내용이 빈약하기는 하지만 양자 컴퓨터에 대한 입문으로써는 충분하다는 생각을 한다. 왜냐하면 내가 이해했으니까...

 

 사실 양자 컴퓨터가 미래를 주도할까? 하는 생각은 아직 와닿지 않는다. 물리적으로도 아직 기술이 발전하지 못했고, 고전적인 컴퓨터를 기반으로 한 디지털 환경이 쉽사리 양자 컴퓨터로 대체될 수 있을까 하는 생각이 크다.

 하지만 과거 애니악(ENIAC)이 등장했을 때 누가 지금 현 시대의 사람들이 스마트폰을 들고 다닐 것이라고 생각을 했을까? 기술은 항상 발전하고 세상을 바꾼다. 우리도 항상 열린 마음과 시각으로 세상을 바라보면 좋을 듯하다.