양자 컴퓨터의 종류(방식)

양자 컴퓨터를 구현하는 방식으로 고전 컴퓨터의 논리 게이트와 같이 양자 게이트를 사용하는 '양자 게이트(Gate)' 방식과 양자 어닐링(Annealing) 방식이 있다.

 

<양자 게이트 방식>

  양자 비트를 게이트로 취급하는 방식으로, 고전 컴퓨터에서 게이트에 입력된 비트를 연산함으로써 다양한 작업들을 수행한 것처럼 양자 비트(큐비트)를 양자 게이트에 입력하여 다양한 연산들을 수행하는 방식이다.

  고전 컴퓨터에서 'AND', 'OR', 'NOT' 게이트가 있고, 이 게이트들의 조합으로 연산을 수행할 수 있다. 양자 게이트 방식의 컴퓨터도 'Pauli X, Y, Z', 'Hadamard', 'P(Phase)', 'I(Identity)', 'S', 'T', 'CNOT', 'Rx', 'Ry', 'Rz' 등의 게이트가 있으며, 이러한 게이트들의 조합으로 다양한 연산을 수행한다. (양자 게이트에 관해서는 따로 다뤄보도록 하겠다.)

 

(출처 : https://qiskit.org/textbook/ch-algorithms/grover.html#2qubits)

 

  이러한 양자 게이트를 이용하는 방식은 고전 컴퓨터에 익숙해져있는 우리가 쉽게 이해할 수 있기 때문에 범용성있고, 게이트를 이용하여 큐비트의 상태를 완전히 제어할 수 있다는 장점이 있지만, 노이즈에 약하다는 단점이 있다.

 

<양자 어닐링 방식>

  양자 어닐링 방식은 양자 게이트 방식과는 다르게 특정한 문제를 해결하는데에 최적화 되어 있다고 한다. 흔히 어닐링은 금속 가공과정에서 강도를 높이기 위해 재료를 가열 후 서서히 냉각 시키는 열처리 방식인데, 이 과정에서 금속 원자 사이의 에너지가 최소화 되면서 금속의 강도가 높아진다고 한다. 양자 어닐링 방식도 이처럼 '에너지를 최소화' 하는 특징을 이용하였는데, 이를 이용하여 순회 세일즈맨 문제와 같이 조합 최적화 문제를 푸는데 유리하다고 한다.

 

   조금 더 살펴보면, 양자 어닐링은 단열 정리에 의존해 계산을 수행하는 형태로 단열 양자 계산(Adiabatic Quantum Computation)이라고도 불린다.

* 단열 정리(Adiabatic theorem) : 1928년 막스 보른과 블라디미르 폭이 제시한 정리로써 점진적으로 변화하는 외부 조건에 노출된 양자역학계는 자신의 기능적 형태를 적응시키지만 급격히 변화하는 외부 조건에 노출될 떄는 기능적 형태가 적응하기에 시간이 불충분해서 공간 확률 밀도가 바뀌지 않는다고 가정함.

* 해밀토니안(Hamiltonian) : 양자역학에서 해밀토니안은 대부분의 경우 양자역학계의 총 에너지에 대응되는 연산자이다. 모든 입자의 운동 에너지 및 양자역학계와 관련된 입자들의 위치 에너지의 합계를 나타낸다.

 

  일반적으로 양자 어닐링은 다음의 단계를 거친다고 한다.

1. 풀고자 하는 문제의 해답을 바닥상태가 나타내는 복잡한 해밀토니안을 찾는다. 2. 간단한 해밀토니안을 갖는 계를 생성하고 바닥상태로 초기화한다. 3. 단열 과정을 통해서 간단한 해밀토니안을 복잡한 해밀토니안으로 진화시킨다. 단열 정리에 따라 계는 바닥상태를 유지하므로, 최종적으로 계의 상태는 문제의 해답을 나타낸다.

(출처 : "Practical Quantum Computing", 블라디미르 실바, 에이콘 출판사)

 

	양자 게이트 방식	양자 어닐링 방식
개요	고전 컴퓨터의 논리 게이트와 같은 양자 게이트에서 양자 비트 조작	어닐링 현상을 이용하여 최적의 조합 특정
주요 이용 목적	범용적 이용 가능	조합 최적화 등 특정 용도로 한정
양자 비트수	50 큐비트	2000 큐비트
주요 개발 기업	IBM, 구글, 인텔 등	D-Wave 등
향후 전개	양자 초월성 실현	고전 컴퓨터와의 연계

(출처 : "최신 양자 컴퓨터 기본과 시스템", 나가하시 켄고, 보국 출판사)

 

  학습자료 요약이다보니, 연결이 매끄럽지 못하고 설명이 충분하지 못한 부분이 있으나... 남은 퍼즐은 차근차근 메꿔보도록 하겠다.

 

<Reference>

- "최신 양자 컴퓨터 기본과 시스템", 나가하시 켄고, 보국 출판사)

- https://qiskit.org/textbook/ch-algorithms/grover.html#2qubits

- https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%96%91%EC%9E%90_%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0#cite_note-14

- https://www.nature.com/articles/nature10012

- https://qiskit.org/textbook/ch-states/single-qubit-gates.html#7.-The-U-gate--

- "Practical Quantum Computing", 블라디미르 실바, 에이콘 출판사