[양자 컴퓨터 21세기 과학혁명]

양자 컴퓨터 21세기 과학혁명

제목 : 양자 컴퓨터 21세기 과학혁명 초판 6쇄 발행 :  2019년 1월 30일 지은이 : 이순칠 출판사 : (주) 살림출판사

 

  요즈음 양자 컴퓨터에 대해 관심을 가지고 자료를 찾아보던 중 조금 오래전(초판 2003년) 발행된 책이지만 비전공자도 이해하기 쉽게 말로 풀어쓴 책을 발견하게 되어 구매하여 읽어보았다. 카이스트 물리학과 이순칠 교수님께서 2003년도에 출판한 책인데, 무려 14년 전 발행된 책을 읽으면서 현재의 상황을 나름 비교하며 살펴볼 수 있어서 시간여행을 한 것 같으면서도 한편으로는 아직 가야할 길이 멀구나라고 느끼기도 하였다.

  그럼에도 헷갈리던 개념들을 거의 수식없이 말로 잘 설명해주셔서 가볍게 읽기 좋았다. 관련한 내용을 찾아보니, 이순칠 교수님 연구팀이 2001년도에 국내에서 양자 컴퓨터를 처음으로 개발하셨다고 한다. 

https://www.dongascience.com/news.php?idx=-52804 

대한민국 1등 과학브랜드, 동아사이언스

 

  책 내용 중 기록하고자 하는 부분을 조금 작성하면 아래와 같다.

(pg 4) ... 상대론적 효과는 물체의 속도가 빛 속도의 십분의 일 정도는 되어야 관측할 만하며, 양자적 효과는 물체의 크기가 수십 나노미터(10^-9미터, 10 옹스트롱) 정도는 되어야 관측된다.

(pg 5) ... 천재 물리학자 리처드 파인먼은 "양자역학을 이해하고 있는 사람은 아무도 없다고 자신있게 말할 수 있다" 고 했다.

(pg 11) ... 코펜하겐 해석에 따르면, '중첩된 상태를 측정하면 고유 상태 중의 하나가 측정되며, 그 상태가 측정될 확률은 각 고유 상태가 섞인 비율에 따라 결정된다'는 것이다. ... 이 중처과 측정의 가설에서 나오는 한 가지 결론은, '중첩 상태는 측정 후 고유 상태 중의 하나로 변화한다'는 것이다. ... 물리학자들은 이를 축소 또는 붕괴한다고 표현하다.

 

(pg 14~15) ... 아인슈타인은 양자 역학의 해석에 대해 무덤에 갈 때까지 부정적이었으며, 그의 이러한 의견은 "나는 신이 우주를 가지고 주사위 놀음을 하고 있을 것으로는 생각하지 않는다"는 유명한 말에 녹아 있다. 아인슈타인은 어떤 학회에 가서 또 한번 이와 비슷한 이야기를 한 적이 있었는데, 그랬더니 그 자리에 있던 보어가 "신한테 이래라 저래라 하지 마시오"라고 대꾸했다고 한다.

... 소수의 물리학자들은 코펜하겐 해석의 부자연스러움을 넘어서고자 계속 노력하여 왔다. 아인슈타인을 필두로 한 앙상블 해석, 존 폰 노이만 등에 의한 프린스턴 해석, 휴 에버렛의 다세계해석 등 여러가지가 있다.

... 관측되는 현상에 대한 양자역학의 예측은 아직까지 틀린 적이 없다는 점을 강조해야겠다. 아인슈타인도 양자역학이 예측하는 결과가 항상 옳다는 점에서는 이견이 없었으며, 다만 물질파와 측정의 철학적 해석을 달리했을 뿐이다.

 

(pg 17) ... 유명한 EPR 패러독스가 그에 속한다. 아인슈타인, 포돌스키 그리고 로젠 세 사람의 이름 앞 글자를 딴 EPR 패러독스도 역시 중첩된 상태의 측정에서 발생한다.

https://en.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox

EPR paradox - Wikipedia

 

... 대부분의 현대 물리학자들이 취하고 있는 입장은 이렇다. 양자역학의 예측은 반드시 옳다. 그러나 이는 미시세계에서의 일이며 우리가 사는 거시세계에는 잘 적용되지 않는다. 그러므로 양자역학의 해석문제는 일단 제쳐주도 우선 잘 써먹자.

 

(pg 21-22) ... 지금의 추세대로라면 2020년에는 한 비트를 저장하는 메모리의 크기가 원자 하나의 크기가 되는데, 메모리의 크기가 작아지면 원자 크기에 이르기 훨씬 전인 수십 나모미터 정도부터 양자효과가 나타나기 시작하여 지금과 같은 고전적인 방식의 메모리는 작동할 수 없다. ... CPU가 연산할 때는 에너지를 소모하기 때문에 이렇게 연산 속도가 천 배씩 빨라지면 초당 발생하는 열도 천 배가 는다. ... CPU가 연산 하나를 수행하는데 드는 에너지를 지금처럼 계속 지수함수적으로 줄여간다면 2020년에는 분자 하나의 운동 에너지와 비슷해진다. 이 말이 뜻하는 바는 어떤 연산을 하려 해도 주변의 잡음신호 때문에 정확히 되지 않고 연산을 하지 않을 때에도 잡은신호가 엉뚱한 연산을 하기도 한다는 것이다.

... 롤프 란다우어에 다르면 연산에는 에너지가 필요하지 않지만 정보를 지우는 데는 에너지가 필요하며, 그 에너지도 분자 하나의 운동 에너지와 비슷한 정도이다. ... 베넷이 처음 가역적 연산 및 여러가지 양자공학의 개념을 제시할 때 학문적으로 그에 동의하지는 않았지만 베넷이 계속 연구하도록 격려했다고 한다.

 

(pg 23) ... 엔트로피가 증가하면 사용 가능한 에너지가 소모된다는 뜻

(pg 27) ... 엔트로피는 한번 증가하면 자발적으로 감소하지 않으므로, 엔트로피가 증가하는 과정을 비가역과정이라고 부르며, 역으로 엔트로피의 변화가 없이 일어나는 과정은 거꾸로 돌아갈 수 있으므로 가역적이다. 우리가 사용하고 있는 컴퓨터는 비가역적으로 연산하며, 이 떄문에 사용 가능한 에너지가 소모되면서 열이 발생한다. 베넷의 제안은 바로 가역적으로 연산하는 컴퓨터를 만들어 열발생을 없애보자는 것이었다. ... 가역적인 연산은 최소한 입력 비트수와 출력 비트 수가 같아야 하며, 이런 연산들만으로도 지금의 컴퓨터가 하는 모든 일을 다 할 수 있음이 증명되었다.

 

(pg 32) 양자전산의 발전과 함께 양자역학과 정보와의 관계에 대한 물리적 이해가 깊어지면서 이를 이용한 특이한 기술들이 제안되기 시작했는데, 그 중 대표적인 것이 양자암호통신과 양자 공간이동이다.

(pg 41-42) ... 보내고 싶은 정보를 보내면서 양자역학의 원리를 이용하여 도청이 불가능하게 하는 기술이 양자암호통신이다. ... 양자암호통신은 측정을 하면 상태가 변한다는 양자계의 성질을 이용하여 도청자가 이렇게 하지 못하게 하는 통신수단이다.

(pg 47) ... 베넷이 있는 IBM 그룹은 이미 1994년에 이 암호통신의 특허를 획득하고 있었다. 2003년 현재, 지사실험은 수 킬로미터를 성공하였으며, 광섬유를 이용한 실험은 약 100 킬로미터의 거리에서 성공하였다고 한다.

 

(pg 52-54) ... 현재 비밀열쇠암호체계와 함께 암호의 양대 산맥을 형성하고 있는 방식이 공개열쇠암호체계이다. ... 이는 두 숫자를 곱하기는 쉽지만 소인수분해하기는 어렵다는 사실을 이용한 것이다. ... 공개열쇠암호중에 대표적인 RSA 암호체계를 만들어...

https://ko.wikipedia.org/wiki/RSA_%EC%95%94%ED%98%B8

RSA 암호 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

(pg 55-56) ... 양자전산이 폭발적인 관심을 글게 된 계기는 1994년 벨 연구소의 피터 쇼가 소인수분해 풀이법을 발표하면서이다. ... 이 알고리즘은 공개열쇠암호체계를 격파할 수 있는 잠재력이 있었다.

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%87%BC%EC%96%B4_%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98

쇼어 알고리즘 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

... 소인수분해 알고리즘과 함께 현대의 암호체계를 위협하는 또 하나의 양자 알고리즘이 2년 후 같은 연구소의 그로버에 의해 발표되었다. 그로버가 발표한 양자 알고리즘은 데이터 검색 알고리즘이었는데, 데이터의 갯수가 늘어남에 따라 찾는 속도가 기존의 컴퓨터(O(N))보다 혁신적으로 빠르다(O(root(N))). 

https://www.secmem.org/blog/2020/06/18/quantum-computing-grover/

양자 컴퓨팅 입문 (2) - Grover's Algorithm

 

(pg 59) 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 비교

	고전 컴퓨터	양자 컴퓨터
비트 상태	0V, 5V 전압	두개의 고유 양자 상태
기본 연산자	반도체 연산 소자	진화 연산
일반 연산	소자의 공간적 배치	순차적인 진화 연산

 

(pg 62) ... 조건부 연산은 양자전산에서 중심적인 역할을 한다. 이 연산자는 얽힌 상태를 만들어 주거나 없애주며, 쓸 만한 양자 알고리즘에서는 얽힌 상태가 반드시 나타나기 때문에 조건부 연산을 거치지 않는 알고리즘은 상상하기 힘들다. ... 얽힘이란 입자가 여러 개 있을 때 각 입자의 상태가 다른 입자의 상태와 연관이 있는 경우를 뜻한다. 이런 모호한 표현 보다는 좀 딱딱하더라도 '얽혀 있지 않은 경우란 한 입자의 측정이 다른 입자의 상태에 전혀 영향을 미치지 않는 경우'라는 표현이 더 이해하기 쉬울 것 같다.

 

(pg 67) 양자전산이 고전전산보다 혁신적으로 빠를 수 있는 이유는 0과 1이 중첩될 수 있으며, 이를 동시에 병렬 처리하기 때문이다.

(pg 70) 요약

* 고전컴퓨터의 병렬연산과의 차이점

ex) 1024개의 데이터를 병렬처리하기 위해...

 - 고전 컴퓨터 : 1024개의 컴퓨터가 필요

 - 양자 컴퓨터 : 2^10(1024), 10개의 큐비트를 가진 양자 컴퓨터 1개 필요

 

(pg 71) ... 소인수분해의 경우 이공학도들에게는 익숙한 소위 '푸리에 변환'이라는 계산과정이 들어가는데, 이는 병렬 처리가 효과적으로 쓰이는 대표적인 경우이다. 양자 소인수분해 알고리즘은 바로 이 과정을 빠르게 했기 때문에 결과적으로 소인수분해가 빨라진 것이다. ... 양자 데이터 검색 알고리즘에서는 모든 데이터가 한꺼번에 중첩되어 들어오면 마치 채로 치듯이 원하는 자료의 크기만 점점 커지게 알고리즘이 반복된다.

* Qiskit의 grover search의 amplitude amplication 참고

https://qiskit.org/textbook/ch-algorithms/grover.html

Grover's Algorithm

 

(pg 72) ... 양자 데이터 검색 알고리즘은 이론상 혁신적으로 빠르게 검색할 수 있지만 이 알고리즘을 사용하려면 우선 고전적인 데이터를 양자 상탤 바꾸어야 하는데, 이 변환과정에 많은 시간이 소요되기 때문에 이 알고리즘이 과연 실용적으로 적용될 경우가 많을지는 확실치 않다.

... 그러나 양자 컴퓨터는 덧셈 같은 연산을 빨리 하는 것이 아니고 병렬 처리가 가능한 연산만 빨리 하기 때문에 현재의 컴퓨터를 모두 대체하게 되는 것은 아니며, 현재까지 쓸모 있는 알고리즘으로 알려진 것도 서너 개에 불과하다.

 

(pg 73) ... 양자계는 고전꼐보다 외부의 간섭에 취약해서...

... 양자전산에서 이런 방식(패리티 비트, 고전전산에서 오류를 수정하는 방법 중 하나)을 사용할 수 없는 이유는 측정을 할 수 없기 때문이다. ... 비트의 상태를 모르는 채로 오류를 검사하고 수정해야 한다.

 

(pg 76) ... 양자계는 외부의 간섭에서 완전히 고립되기가 무척 힘들기 때문에 0이나 1인 상태를 가만히 두어도 점점 1이나 0으로 바뀔 확률이 커진다. 0이나 1인 상태가 그대로 유지되는 시간을 결맞춤 시간(coherence time)이라고 부르는데, 이 시간 안에 연산을 끝마치지 않으면 결과가 틀릴 확률이 점점 커지므로 결맞춤 시간은 한 양자계가 양자 컴퓨터가 되기 위한 가장 중요한 조건 중의 하나이다.

 

(pg 83) 핵, 전자, 원자, 광자 등 양자계는 많은데 어떤 것이 양자 컴퓨터가 될 수 있는 것일까? ... 우선 구성하는 입자들이 적어도 잘 정의된 두 개의 양자 상태를 가지고 있어서 큐빗으로 사용될 수 있어야 한다. 또한 이 입자들은 서로 상호작용하고 있어야 하며 외부와는 단절되어 결맞춤시간이 길어야 한다. 그리고 외부 장치를 사용하여 이 입자들 중 어느 하나를 골라 마음대로 상태를 조작하고 그 상태를 읽을 수 있어야 한다.

 

(pg 84) 양자 컴퓨터의 큐빗 종류에 따른 분류

큐빗	양자계
에너지 고유 상태	액체 헬륨 표면 위의 전자
전하의 수	양자점, 조셉슨 소자
스핀 상태	양자점, 분자자석, 이온덫, 핵자기공명
광자 상태	광학 양자 컴퓨터, 양자공진기
양자화된 자속	초전도링

 

  오래되고 얇은 책이지만 양자 컴퓨터에 시작과 주요 개념들 그리고 전반적인 연구 방향에 이르기까지 이해하기 쉽게 잘 설명된 책이어서 헷갈리던 개념들을 정리하는데 많은 도움이 되었다. 저자인 이순칠 교수님께 감사하다.

 

 

<Reference>

- https://www.aladin.co.kr/shop/wproduct.aspx?ItemId=13960327 

- https://www.techm.kr/news/articleView.html?idxno=5264

- https://www.dongascience.com/news.php?idx=-52804

- https://ko.wikipedia.org/wiki/EPR_%EC%97%AD%EC%84%A4

- https://en.wikipedia.org/wiki/EPR_paradox

- https://ko.wikipedia.org/wiki/RSA_%EC%95%94%ED%98%B8

- https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%87%BC%EC%96%B4_%EC%95%8C%EA%B3%A0%EB%A6%AC%EC%A6%98

- https://www.secmem.org/blog/2020/06/18/quantum-computing-grover/

 

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