미리보기] 《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》 4화 양자비트란 무엇인가?

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미리보기] 《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》 4화 양자비트란 무엇인가?

GODblessus 2023. 7. 7. 17:25

[미리보기] 《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》 4화 양자비트란 무엇인가?

2021.11.03. 05:50897 읽음

0과 1로 모든 걸 다하는 현대 컴퓨터
모든 컴퓨터의 계산 원리는 기본적으로 같다. 트랜지스터라는 전기 스위치가 많이 모여서 계산을 처리한다. 이 스위치에는 전류가 흐르는 ON 상태와 전류가 흐르지 않는 OFF 상태가 있어서 ON과 OFF로 ‘0’과 ‘1’의 두 가지 숫자를 나타낸다. 이렇게 0이나 1이라는 정보 단위를 비트라고 한다.
컴퓨터는 2진법을 사용하는데, 2진법에서는 0, 1을 센 다음에는 자릿수가 올라가서 10(일영)이 된다. 더 세어가면 다음에는 11(일일), 100(일영영), 101(일영일)이 되며, 10진수처럼 자릿수가 늘어날수록 큰 숫자를 나타낸다. n개의 비트가 있으면 n자리의 2진수를 나타낼 수 있고, 2n번째까지의 숫자 중 하나를 표시할 수 있다.
컴퓨터로 2+3을 계산한다고 하자. 컴퓨터는 먼저 2와 3을 2진수로 고쳐서 비트로 표시하고, 덧셈에 해당하는 비트 변환을 수행한다. 계산 결과는 2진수로 101로 얻어지고, 이것을 인간이 알아보기 쉽게 다시 10진수로 고쳐서 5라고 표시하는 것이다.
컴퓨터는 숫자뿐만 아니라 각종 정보를 비트로 표시한다. 문장도, 그림도, 음악도, 0과 1만 나열하여 011010…과 같이 표시한다.

비트로 표시한 모나리자

그래서 0과 1로 어떻게 계산한다는 걸까?
0과 1이라는 비트 정보는 컴퓨터 안에서 트랜지스터의 ON과 OFF로 표현되며, 트랜지스터는 단순히 정보만 나타내는 것이 아니라 연산을 한다. 그래야 일이 된다. 컴퓨터가 하는 2진수의 연산을 논리연산이라고 한다.
스위치 두 개와 전구를 연결한 회로를 만든다고 생각해보자. 이 회로는 두 개의 스위치가 모두 ON이 되어야만 전류가 흘러 전구가 켜진다(ON이 된다). 이제 이 스위치와 전구를 트랜지스터로 바꿔 생각해보자. 두 개의 트랜지스터가 ON(1)이 되어야만 다음 트랜지스터를 ON(1)으로 만드는 회로가 된다. 이렇게 하면 양쪽 모두 1일 때만 1을 출력하는 AND의 동작을 실현할 수 있다. 마찬가지로 트랜지스터를 잘 만지면 NOT 연산도 실현할 수 있다. NOT 연산은 주어진 하나의 비트인 0과 1을 반전시키는 연산이다. 즉 비트가 0이면 1로 바꾸고, 1이면 0으로 바꾸는 것이다.
놀랍게도 컴퓨터는 이 기본적인 NOT과 AND 연산을 다양하게 조합하여 여러 가지 패턴으로 비트 변환을 해낸다. 많은 비트를 입력해서 많은 비트를 출력하는 복잡한 변환도 NOT과 AND를 차례로 실행해서 비트를 한 개나 두 개씩 변환해가면 된다. 게다가 우리가 수학에서 공부하는 어려운 계산도 NOT과 AND만으로도 가능하다는 사실!
그런데 이렇게 생각해볼 수도 있다. 뛰어난 계산 능력으로 사람이 처리할 수 없는 몹시 어려운 계산도 척척 처리해주니, 얼핏 보면 컴퓨터가 매우 똑똑한 원리로 계산하는 것처럼 보이는데, 실제로는 NOT과 AND라는 매우 단순한 논리연산만 가지고 너무 수고스럽게 계산하는 것은 아닐까?

현대 컴퓨터에 비트와 논리연산이 있다면, 양자컴퓨터에는 양자비트와 양자 논리연산이 있다!
현대 컴퓨터의 원리를 대략 이해했다면, 이제 양자컴퓨터에 대해 알아보자.
현대 컴퓨터의 구성 요소는 0이나 1이라는 정보를 표시하는 비트와 비트를 변환하는 NOT이나 AND 등의 논리연산이라고 설명했다. 양자컴퓨터에서는 양자역학 원리를 사용해서 이런 구성 요소를 ‘양자 버전’으로 치환한다. 즉 양자비트와 양자 논리연산이 양자컴퓨터를 구성한다.
양자가 어떤 성질을 가지는지 2중 슬릿 실험을 떠올려보자. 두 개의 틈이 있는 판을 향해 입자를 발사하면, 일상 세계에서는 입자가 왼쪽을 통과하거나 오른쪽을 통과하거나, 둘 중 한 가지이지만 양자 세계에서는 두 가지 가능성이 어느 하나로 정해지지 않고 동시에 존재하는 중첩이 일어난다.
이런 양자의 성질을 컴퓨터에 이용해보자. 현대의 컴퓨터에서 비트는 0이나 1 중 하나다. 비트 정보는 트랜지스터의 ON과 OFF로 표시하므로 이 두 가지 말고는 취할 수 없다. 그런데 양자의 성질을 이용해서 정보를 표시하면 0과 1뿐만 아니라 그 중첩도 될 수 있다. 이런 아이디어를 바탕으로 양자컴퓨터는 0과 1의 중첩을 정보 단위로 사용한다. 이런 정보 단위를 양자비트라고 한다.
양자비트의 개수가 증가하면 많은 정보를 중첩할 수 있다. 예를 들어 일반적인 비트가 두 개라면 00, 01, 10, 11이라는 네 가지 패턴 가운데 어느 하나의 정보만 표시할 수 있다. 한편 양자비트가 두 개라면 이들 네 가지 패턴 모두를 중첩해서 동시에 가질 수 있다. 양자비트가 하나 증가할 때마다 중첩할 수 있는 패턴은 두 배가 된다. 그러므로 양자비트가 n개라면 00…00부터 11…11까지 2의 n승 가지 패턴의 모든 정보를 중첩해서 가질 수 있다. 양자비트 n=10이라면 약 1,000가지 패턴을 중첩할 수 있는 것이다. 적은 개수로도 방대한 패턴 정보를 중첩해서 동시에 가질 수 있는 것이 양자비트의 놀라운 능력이다.

비트와 양자비트

양자비트를 사용한 계산은 일반적인 비트 계산과 어떻게 다를까?
일반적인 비트를 사용한 계산에서는 NOT이나 AND 등의 논리연산을 반복적으로 사용해서 비트를 변환했다. 반면 양자비트를 사용해서 계산하면 양자 버전의 논리연산인 양자 논리연산을 사용한다. 즉 양자 NOT이나 양자 AND 등을 사용하는 것이다.
양자 논리연산의 놀라운 능력은 중첩된 각 정보에 대해 중첩을 유지한 채로 동시에 실행할 수 있다는 점이다. 예를 들어 0과 1의 중첩인 양자비트에 양자 NOT 연산을 실행하면 0에 대한 NOT 연산과 1에 대한 NOT 연산이 동시에 실행되고, 두 가지 연산 결과가 중첩된 채로 출력되는 것이다. 이런 원리에 따라 양자컴퓨터에서는 몇 가지나 되는 패턴 계산을 중첩해서 동시에 처리할 수 있다.
2중 슬릿 실험에서 전자의 중첩 상황과 연관 지어 생각해보면 이해하기가 좀 더 편할 것이다. 2중 슬릿 실험에서 전자가 왼쪽 슬릿을 지나가면 0, 오른쪽 슬릿을 지나가면 1이라고 생각해보자. 2중 슬릿 실험에서 발사된 전자는 파동처럼 퍼져가서 두 슬릿을 동시에 통과한다. 이때 두 슬릿을 빠져나간 진폭의 비와 위상의 차이가 여러 가지로 나타나므로 이것으로 인해 중첩 방식도 여러 가지가 된다.
이는 양자비트에서도 마찬가지로 0과 1의 중첩 방식에는 여러 가지 패턴이 있다. 한마디로 0과 1의 중첩이라고 해도 0과 1에 대응하는 진폭의 비가 다르거나 위상이 달라지면 전혀 다른 정보를 가지는 양자비트가 된다. 결국 양자비트는 단순히 0과 1의 정보가 중첩되어 동시에 존재한다는 사실만이 중요한 게 아니라, 그 두 개의 중첩에 의해 여러 정보를 표현한다는 것이 중요하다.
양자비트가 한 개가 아니라 n개라면 중첩 방식은 어떻게 될까? 그때는 00…00부터 11…11까지 2의 n승 개 패턴의 정보가 중첩된다. 2의 n승 개 패턴 정보의 중첩은 2중 슬릿 실험에서 슬릿의 개수를 의 n승 개로 늘린 것으로 생각하면 된다. 전자 파동이 각 슬릿을 통과하므로 전자는 2의 n승 가지의 모든 슬릿을 동시에 통과한 중첩 상태가 된다. 이런 중첩 방식은 2의 n승 개의 진폭의 비와 위상의 차이에 따라 결정된다. 다시 말해 n개의 양자비트는 2의 n승 개의 파동이 어떻게 중첩되었느냐 하는 중첩 방식의 정보를 나타내는 것이다.

양자비트가 한 개인 경우와 n개인 경우의 중첩 방식

현대 컴퓨터라면 n개의 비트가 있어도 011…010처럼 특정한 한 가지 패턴 정보만 표시할 수 있다. 따라서 양자컴퓨터가 다루는 정보는 현대의 컴퓨터가 다루는 정보와 완전히 질이 다르다는 것을 알 수 있다. 더 나아가 양자컴퓨터는 중첩 방식을 나타내는 많은 파동을 잘 이용해서 계산을 처리한다.
양자컴퓨터의 본질은 단순히 정보를 중첩해서 병렬로 계산하는 것이 아니라, 많은 파동의 중첩 방식을 잘 조종하면서 계산하는, 파동을 사용하는 계산 장치인 것이다.

처음 읽는
양자컴퓨터 이야기

양자컴퓨터, 그 오해와 진실
개발 최전선에서 가장 쉽게 설명한다!

다케다 슌타로 지음 | 김재완(고등과학원) 감수 | 244쪽 | 16,500원

◎ 지은이 다케다 슌타로(武田俊太郎)
1987년 도쿄에서 태어났다. 일본에서도 몇 안 되는 양자컴퓨터 개발자로서 현재 도쿄대학교 대학원 공학계 연구과 준교수다. 전공은 양자광학과 양자정보과학. 도쿄대학교 대학원 공학계 연구과 박사과정 후 분자과학연구소를 거쳐 2019년부터 도쿄대학교 준교수로 재직중이다. 지금까지 빛을 이용해서 다양한 양자 기술을 연구했으며, 현재는 독자적인 방식의 광 양자컴퓨터 개발에 힘쓰고 있다.

◎ 감수 김재완
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 미국 휴스턴대학교 물리학과에서 고체물리, 양자동역학, 양자카오스 연구 등으로 박사학위를 받은 후, 삼성종합기술원에서 계산과학팀장을 맡아 다양한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했다. 1990년대 후반 양자컴퓨터와 양자암호 등을 연구하자고 회사에 제안하였으나 그때는 너무 일렀던 듯하다. 이후 카이스트 물리학과를 거쳐 2002년부터 고등과학원에서 연구하며, 양자정보분야 국제학술대회인 AQIS 운영위원장, 미래양자융합포럼 공동의장을 맡고 있다. 2021년 현재 고등과학원의 부원장 겸 교수로 재직 중이다.

처음 읽는 양자컴퓨터 이야기

저자 다케다 슌타로, 김재완

출판 플루토

발매 2021.11.11.

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