양자 컴퓨팅이란 무엇입니까? 일반 컴퓨터는 엄격한 논리 규칙에 따라 작동합니다. 그러나 전자,또는 빛의 광자와 같은 작은 양자 물체는 이러한 규칙을 깨뜨릴 수 있습니다
양자 컴퓨팅은 우리가이 양자 규칙 위반을 사용하여 정보를 새로운 방식으로 처리 할 수 있다는 생각입니다. 이것은 어떤 일반 컴퓨터보다 기하 급수적으로 빠르게,어떤 경우에,그들을합니다.
예를 들어,한 양자 컴퓨터가 인터넷 뱅킹을 안전하게 유지하는 코드를 쉽게 해독 할 수 있습니다.
그래서,슈퍼 컴퓨터처럼?
정확히. 양자 컴퓨터는 단순한”빠른”컴퓨터가 아닙니다. 매우 큰 숫자를 인수 분해하는 것과 같은 몇 가지 특정 작업이 있습니다.이 작업은 양자 컴퓨터가 놀라운 것입니다. (이것은 코드 브레이킹이 들어오는 곳입니다-아래 참조.)그러나 대부분의 작업에 대한,양자 컴퓨터는 일반 컴퓨터보다 조금 더 좋을 것이다.
그렇다면 양자 컴퓨터는 무엇을 위해 사용될 수 있을까?
그들은 아마도 현재 컴퓨터가 어려움을 겪고있는 문제를 해결하는 정부 기관,연구 개발 회사 및 대학에 가장 유용 할 것입니다.
1981 년 물리학자 리처드 파인만이 제안한 최초의 실용적인 아이디어는 양자 컴퓨터를 사용하여 양자 역학을 시뮬레이션하는 것이었다. 이것은 화학과 생물학에 영향을 미칠 것입니다. 예를 들어 화학자들은 약물 상호 작용을 정확하게 모델링 할 수 있으며 생물 학자들은 단백질이 서로 접히고 상호 작용할 수있는 모든 가능한 방법을 연구 할 수 있습니다.
한때 양자 컴퓨터는 학문적 호기심이었지만,1994 년 미국의 수학자 피터 쇼어가 양자 컴퓨터를 사용하여 코드를 해독하는 방법을 발견했을 때 관심이 폭발했다.
현재 많은 온라인 보안 시스템은 매우 많은 수의 주요 요소가 무엇인지 파악하는 것이 불가능하다는 원칙에 따라 실행됩니다. 수십억 년이 걸릴 수있는 작업–일반 컴퓨터가 할 수있는 모든 다른 후 모든 가능성 하나를 시도 할 수 있습니다. 쇼어의 알고리즘을 사용하여,양자 컴퓨터는 몇 시간에 작업을 수행 할 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 또한 데이터의 패턴을 인식하는 데 환상적 일 수 있으며 이미지에서 다른 물체를 식별 할 수있는 것과 같은 기계 학습 문제에 유용합니다. 그들은 장기 기상 예측에서와 같이 미래를 예측하는 모델을 구축하는 데 큰 도움이 될 수 있습니다.
그러나 궁극적으로 양자 컴퓨팅의 사용은 예측할 수 없습니다. 1943 년,아이비엠 회장인 토마스 왓슨은 이렇게 말했습니다.”이제 모든 가정에 다섯 명이 있습니다.
선례가 어떤 가이드라면,우리는 양자 컴퓨터의 용도가 어떻게 될지 아직 상상하지 못했습니다.
양자 컴퓨팅은 어떻게 작동합니까?
일반 컴퓨터는”비트”를 기반으로하며 1 또는 0 을 가리키는 작은 스위치로 상상해보십시오.
양자 컴퓨팅은 양자 비트 또는”큐 비트”에 의존하며 0 또는 1 을 나타낼 수도 있습니다. 미친 것은 큐 비트가 동시에 1 과 0 인”중첩”이라고 불리는 혼합 상태를 달성 할 수 있다는 것입니다. 이러한 모호성–”존재”와”존재하지 않는”능력–은 양자 컴퓨팅의 힘의 핵심입니다.
중첩은 어떻게 도움이됩니까?
일반 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 차이는 그들이 문제에 접근하는 방법에 귀결된다.
일반 컴퓨터는 미로를 탈출하는 것과 같은 방법으로 문제를 해결하려고 시도합니다. 그러나 중첩은 양자 컴퓨터가 한 번에 모든 경로를 시도 할 수 있습니다–본질적으로,바로 가기를 찾는.
컴퓨터의 두 비트는 네 가지 상태(00,01,10 또는 11)일 수 있지만 언제든지 그 중 하나만 가능합니다. 이것은 컴퓨터가 한 번에 하나의 입력을 처리하도록 제한합니다(예:미로에서 하나의 복도를 시도하는 것).
양자 컴퓨터에서 두 큐 비트는 정확히 동일한 네 가지 상태(00,01,10 또는 11)를 나타낼 수도 있습니다. 차이점은 중첩 때문에 큐 비트가 동시에 4 개 모두를 나타낼 수 있다는 것입니다. 즉,네 개의 일반 컴퓨터가 나란히 실행하는 것과 같은 비트입니다.
일반 컴퓨터에 비트를 더 추가하면 한 번에 하나의 상태만 처리할 수 있습니다. 당신이 큐 비트를 추가하지만,양자 컴퓨터의 힘은 기하 급수적으로 성장한다. 수학적으로 기울어 진 경우”엔”큐 비트,당신은 동시에 나타낼 수 있습니다 2 엔 상태.
그것은 체스 게임을 발명 한 세사라는 고대 인도에 대한 오래된 우화와 같습니다. 왕은 게임에 기뻐하고 자신의 보상 이름을 세사 물었다. 세사는 겸손하게 첫 번째 광장에 밀 한 알,두 번째에 두 개,세 번째에 네 개의 체스판을 요청했습니다. 왕은 그가 지구에 존재했던 것보다 더 많은 밀을 멀리 약속했던 실현하지,한 번에 동의했다. 이것이 기하급수적 성장의 힘입니다.
각 사각형이 세사의 밀을 두 배로 늘린 것처럼,각각의 추가 큐비트는 처리 능력을 두 배로 늘립니다. 3 개의 큐비트가 23 을 줍니다.8 개의 상태를 동시에 나타냅니다.4 개의 큐비트가 24 를 줍니다.16 입니다. 그리고 64 큐 비트? 그들은 당신에게 18,446,744,073,709,600,000 가능성 인 264 를 제공합니다! 그것은 약 백만 테라 바이트의 가치가 있습니다.
64 개의 정규 비트는 이 거대한 숫자(264)의 상태를 나타낼 수도 있지만 한 번에 하나씩 나타낼 수 있습니다. 이 모든 조합을 순환하려면 초당 20 억(현대 컴퓨터의 일반적인 속도 임)에 약 400 년이 걸릴 것입니다.
이 모든 것은 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터에서는”사실상 불가능한”문제를 해결할 수 있음을 의미합니다.
그러나 그 기하 급수적 인 속도 향상을 얻으려면 모든 큐 비트의 운명은 양자 얽힘이라는 과정에서 서로 연결되어야합니다. 아인슈타인이”멀리서 으스스한 행동”이라고 부르는이 이상한 현상은 우주의 반대쪽 끝에 있더라도 양자 입자를 연결할 수 있습니다.
무엇이 큐비트를 만드는가?
큐비트를 만들려면 두 상태 사이에 양자 중첩 상태를 얻을 수있는 객체가 필요합니다.
원자핵은 큐비트의 한 종류이다. 자기 모멘트의 방향(“스핀”)은 자기장과 관련하여 위 또는 아래로 다른 방향을 가리킬 수 있습니다.
문제는 그 단일 원자를 배치 한 다음 해결하는 것입니다.
뉴 사우스 웨일즈 대학의 미셸 시몬스가 이끄는 호주 팀은 실리콘 결정 내부의 알려진 위치에 단일 인 원자를 배치하여 원자 큐 비트를 만들었습니다.
또 다른 아이디어는 원자 떨어져 전자를 제거하고 이온으로 설정하는 것입니다. 그런 다음 전자기장을 사용하여 여유 공간에서 이온을 일시 중지하고 레이저를 발사하여 상태를 변경할 수 있습니다. 이것은”갇힌 이온”양자 컴퓨터를 만듭니다.
초전도 금속 루프의 전류는 또한(시계 방향과 반 시계 방향 사이)중첩 될 수 있으며,동시에 앞뒤로 달리는 작은 디딜 방아와 비슷합니다.
빛의 광자는 물결 치는 방향으로 중첩 될 수 있습니다. 일부 그룹은 광섬유와 거울의 미로 주위에 광자를 전송하여 양자 회로를 조립하고있다.
중첩을 어떻게 생성합니까?
당신은 그 가장자리에 정확히 동전의 균형을 시도 적이 있습니까? 즉,큐 비트를 프로그래밍하는 것과 같다. 그것은 어떤 의미에서 상태들 사이에서”균형 잡힌”상태로 끝나도록 큐 비트에 무언가를하는 것을 포함합니다.
원자핵의 경우,이것은 전기 또는 자기장으로 재핑하는 것일 수 있으며,떠나는 것은 한 방향 또는 다른 방향으로 회전 할 확률이 동일합니다.
그렇다면 큐 비트의 정보를 어떻게 읽을 수 있습니까?
양자 계산 중에 일어나는 일에 대한 신비한 분위기가 있습니다. 더 많은 탈출구 물리학 자들은 큐 비트가 일종의 양자 에 참여한다고 설명합니다.
그러나 그것은 마법이 아니라 양자 역학입니다.
새 64 큐 비트 양자 컴퓨터가 첫 번째 계산을 위해 실행 중이라고 가정 해보십시오. 당신은 모든 배치 64 중첩 큐 비트,다만 같은 64 모든 가장자리에 균형 동전. 함께,그들은 보유 264 림보에서 가능한 상태. 이 상태 중 하나가 정답을 나타냅니다. 그러나 어느 것?
문제는 큐비트를 읽으면 중첩이 붕괴된다는 것입니다.
여기 쇼어와 같은 양자 알고리즘이 유용합니다. 큐비트는 큐비트가 올바른쪽에 떨어질 가능성이 높아지고 정답을 줄 수 있도록 로드합니다.
아직 양자 컴퓨터가 구축 되었습니까?
분명히 예,그들 중 누구도 아직 기존의 컴퓨터를 능가하는 아무것도 할 수 있지만.
지난 3 년 동안 양자 컴퓨팅에서 극적인 진전을 보았습니다. 2016 년 자연 잡지는 구글 연구원에 의해 개발 된 구 큐 비트 컴퓨터를 축하하는 동안. 18 개월 후인 2017 년 12 월,아이비엠은 50 큐비트의 양자 컴퓨터를 보고했다. 4 개월 이내에,구글은 72 큐 비트’브리스 턴 콘’양자 컴퓨터로,다시 앞서 줄무늬했다. 한편 아이비엠은 최초의 상업적으로 이용 가능한 양자 컴퓨터를 생산–가격에 대한 자신의 큐 비트 20 개 시스템에 대한 하나의 큐 비트 시스템에 클라우드 액세스를 제공한다.
디웨이브는 2000 개의 초전도 루프를 큐비트로 사용하여 만드는 데 여전히 앞서 있지만,일부 물리학자들은 디웨이브가 진정한 양자 컴퓨터를 구축했다고 회의적이다.
모든 큰 선수들은 그들의 시야에서 다음 주요 이정표를 가지고 있습니다:’양자 패권’. 이것은 양자 컴퓨터가 고전적인 기계의 기능을 넘어서는 문제를 해결할 때를 의미합니다. 이론적으로 이것은 50 큐 비트 머신에서 가능해야하지만 오류율이 충분히 낮은 경우에만 가능합니다.
양자 컴퓨터를 만드는 것이 왜 그렇게 어려운가요?
큐비트를 조립하는 것부터 정보를 읽고 쓰는 것,불확실한 순간에 사라지지 않고 정보를 앞뒤로 왕복하는 것까지 모든 단계에서 어려움이 있습니다.
큐빗은 최고의 디바입니다. 할리우드 스타는 거대한 탈의실과 장미 꽃잎으로 가득 찬 욕조를 요구할 수도 있지만,큐 비트는 완벽한 격리와 절대 영도 이상의 100 분의 1 정도의 온도 조절기를 요구합니다. 가까운 원자로부터의 사소한 진동은 큐 비트가 양자 울화를 던지고 그 중첩을 잃을 수 있습니다.
우선적인 어려움은 계산을 실행하기에 충분히 긴 중첩 및 얽힘의 섬세한 상태를 유지하는 방법이다–소위 일관성 시간.
이러한 어려운 도전에도 불구하고,최초의 실용적인 양자 컴퓨터를 구축하려는 경쟁은 전 세계에 흩어져있는 수십 개의 연구 기관에서 수천 명의 물리학 자와 엔지니어를 포함하는 우리 시대의 위대한 과학적 도전 중 하나가되었습니다.