빛의 양자컴퓨터(2) -양자 상태의 복제가 불가능한 이유

 현대의 양자역학은 학문적 성격보다는 실용 응용 분야를 중점적으로 연구되고 있습니다. 하지만, 아시다시피 양자역학은 굉장히 혁신적이면서도 불완전합니다. 그렇기에 확실히 투자받기 어려운 분야였는데, 이번 시간에는 이 양자 컴퓨터의 개발이 가속화된 이유를 이야기해보고자 합니다.

 

빛의 양자컴퓨터

 

 양자 컴퓨터는 고전 컴퓨터에서 사용하는 정보 단위인 '비트(bit)'에 상응하는 '양자 비트'를 필요로 합니다. 고전 비트가 0과 1 중 하나로 정보를 표현하는 것에 반해, 0이면서 1인 중첩 상태를 갖습니다. 그리고 이 양자 비트를 구현하는 것이 핵심 연구 과제입니다. 양자 비트를 구현하는 방법을 크게 분류하면 원자나 이온을 이용한 양자 비트, 초전도체를 이용한 양자 비트, 스핀을 이용한 양자 비트로 구분할 수 있습니다.

 

 위에서 언급한 양자 컴퓨터는 극저온 진공 상태에서 양자를 구현하여 계산하는 방식을 목표로 하고있습니다. 극저온을 유지하지 않으면 양자가 온도에 의한 영향을 받으며 결과를 내는데 지장이 생길 수 있습니다. 또한 진공으로 유지하는 이유도 마찬가지로 공기 중에 있는 입자들과의 접촉으로 발생하는 문제를 차단하기 위함입니다. 이렇게 양자 상태를 구현하는 것도 어려운데 조건까지 까다로운 양자 컴퓨터, 왜 개발이 가속화되었을까요?

 

 극저온 상태와 진공 상태를 유지하는데 많은 비용이 든다고 해도, 고전 컴퓨터에 비하면 훨씬 저렴하기 때문입니다. 기존 컴퓨터는 대량의 트랜지스터를 이용하여 논리 연산을 진행하는데, 회로가 논리 연산을 진행할 때마다 전기에너지가 소모되고, 열에너지가 배출됩니다. 금속과 반도체 사이의 경계면을 전자가 통과할 때 상태가 변경되어 입력과 출력 사이에 에너지 차이가 생겨서 에너지 차이만큼 열에너지가 배출됩니다. 하지만 양자 컴퓨터는 입력과 출력 상태가 같아 에너지 차이로 인한 열에너지가 발생하지 않습니다. 심지어는 양자 비트 간 양자 얽힘을 이용한 알고리즘을 사용하면 논리 연산을 줄여서 계산할 수도 있어서 경제적으로 큰 효과를 얻을 수 있습니다.

 

논리 게이트(출처: 빛의 양자컴퓨터)

 이후 저자는 다른 방식의 양자컴퓨터를 제시합니다. 이전까지 설명한 방식을 한정된 공간에서 정지된 양자 비트를 이용해 계산한다는 점에서 '정지형 양자 비트'라 하고, 자신이 연구중인 양자 컴퓨터를 빛의 양자인 광자를 사용한다는 점에서 '비행형 양자 비트'라고 불렀습니다. 광자를 이용하여 양자 컴퓨터를 제작하면 양자 상태를 유지하기 위해 냉각 장치가 필요하지 않고, 단일 광자를 검출해내는 효율적인 기술이 개발되어있기 때문입니다. 광자는 열에너지로 환산하면 섭씨 수만 도에 상응하는 에너지를 갖고 있어서 광자에게 상온은 원자나 전자 같은 다른 양자들에게 극저온과 같은 온도입니다. 때문에 극저온으로 냉각하지 않아도 상온에서 양자 상태를 오래 유지할 수 있습니다. 또한 단일 광자의 상태를 제어하기 쉽고, 장거리 전송에도 용이하다는 이유로 광자를 이용한 양자 컴퓨터가 더 효율적이라고 저자는 말합니다.

 

 

 광자를 이용한 양자 컴퓨터, 광양자 컴퓨터의 가장 기초가 되는 개념은 양자 텔레포테이션 입니다. 양자 텔레포테이션은 양자역학을 이용한 '정보'의 송신 방법을 가리킵니다. 일반적으로 우리는 컴퓨터를 사용하면서 ctrl C ctrl V와 같이 손쉽게 정보를 복사하고 전달합니다. 하지만 양자의 세계에서는 이렇게 정보를 복사하는 행위가 불가능합니다. 이를 '양자 복제 불가능 정리'라고 합니다. 따라서 양자 텔레포테이션은 송신 측의 정보를 지우고, 수신 측에 정보를 나타내는 행위를 나타냅니다. 양자의 세계는 정보를 다루기가 왜 이렇게 힘든 걸까요?

 

 하이젠베르크라는 사람을 알고 계신가요? 하이젠베르크는 독일의 물리학자로 '불확정성 원리'를 발표하여 양자역학의 발전에 큰 기여를 했습니다. 이 '불확정성 원리'에 따르면 위치와 운동량은 동시에 정해질 수 없습니다. 물체의 위치가 정해지면 운동량은 불확실해지고, 물체의 운동량이 정해지면 위치가 불확실해집니다. 이는 우리가 물체의 정보를 얻기 위해 '관측'을 행하기 때문인데, 대상을 관측하기 위해 빛, 광자를 쬐면 관측하려는 입자의 위치나 운동량이 변하게 됩니다. 즉 우리는 위치와 운동량 둘 중 하나의 상태 정보만을 얻을 수 있는데, 만약 양자 상태가 복사가 된다면, 원본에서는 위치를 측정하고 복사본에서 운동량을 측정하는 행위가 가능해집니다. 이것이 양자의 복제가 불가능한 이유입니다.

 

 

 오늘의 내용은 '빛의 양자컴퓨터' 2장과 3장의 내용입니다. 4장에서는 양자 텔레포테이션을 이용하여 광양자 컴퓨터가 어떻게 연구되고 있는지를 설명하고 있습니다. 그러면 다음 시간에 돌아오겠습니다. 감사합니다.

 

 

하이젠베르크 만나보기

https://computerstudying.tistory.com/11

실재란 무엇인가?(1)

 

 

 

참고

후루사와 아키라, 빛의 양자컴퓨터(동아시아)

이혁성, 양자컴퓨터 기술 동향 및 산업 응용(한국컨텐츠학회)

https://www.ciokorea.com/insider/37247