양자컴퓨터

양자 컴퓨터는 양자의 상태 중첩을 이용해 각종 답안 후보군에서 단 하나의 결과값을 뽑아내고 나머지 값들은 소거시키는 방식으로 작동하는 컴퓨터이다.

2021년까지는 현재 아직 양자를 안정적으로 상태를 변화시키는 매커니즘을 개발하지 못해 실험 단계에 머물러 있었다. 그러나 구글이나 IBM은 물론이고 IonQ 같은 스타트업을 필두로 몇 개 수준의 큐비트를 안정적으로 굴리는 제품이 2022년부터 나왔고 마이크로소프트 애저 퀀텀처럼 클라우드 컴퓨팅 형태로 이들 제품의 연산력을 제공하는 서비스가 출시되면서 데이터 생성 AI 다음으로 IT 붐을 일으킬 시장으로 주목을 받고 있다.

기존 컴퓨터 대비 성능이 향상된 제품 제작에 성공할 경우 기존 컴퓨터의 규모로는 실시간 재현이 불가능에 가까운 새로운 연산 알고리즘으로 몇몇 수학적 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망된다. 특히 암호화 알고리즘 중 일부를 양자컴퓨팅 가속으로 풀 경우 획기적인 격파 시간 단축이 일어날 것으로 전망되기에 격자 암호 및 양자 통신의 도입 논의도 조금씩 진행되고 있다.

연산 소개

양자컴퓨터는 기본적으로 초기화 후 행렬곱을 연쇄하는 것으로 양자를 조작한 다음 측정을 통해 적절한 답이 나오도록 소거하는 방식을 취한다. a |0> + b |1> 같이 표기하며 $a^{2}+b^{2}=1$이다.

단일 큐빗 제어

보통 파울리 행렬이라 불리는 세가지 행렬 X =${\begin{pmatrix}0&1\\1&0\end{pmatrix}}$, Y =${\begin{pmatrix}0&-i\\i&0\end{pmatrix}}$, Z= ${\begin{pmatrix}1&0\\0&-1\end{pmatrix}}$과 아다마르 행렬 H = ${\frac {1}{\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1&1\\1&-1\end{pmatrix}}$ 게이트로 양자를 조작한다.

여기서 X, Y, Z는 중고등학교 교과서에서 쓰는 데카르트 좌표계가 아닌, 블로흐 구면 좌표계의 X, Y, Z 방향 회전 운동으로 표시된다. 그리고 |0>과 |1>은 위 방향 기준 180도 반대 방향을 가리킨다! 2차원 평면 데카르트 좌표계가 머릿속에 박힌 한국 성인 기준이 착각하기 쉬운 것이다. 그래서 기본적으로 X,Y,Z 연산을 하면 큐빗이 가리키는 벡터가 평행 이동이 아닌 회전 이동을 한다고 생각해야 한다. X, Y, Z가 3D 그래픽스나 항공업계에서 사용하는 Pitch, Roll, Yaw 회전에 대응한다고 생각하면 편하다. H의 경우는 90도 Y 연산으로 |+>, |->로 표기하기도 한다.

두 큐빗 간의 상호작용(얽힘)

이제 2큐비트 이상의 체계로 넘어가 큐빗 간 상호작용을 다룬다.

• CX(Controlled Pauli X) 게이트로 조건에 따른 두 큐비트 간의 얽힘 형성을 한다.