큐비트란?
Massine Kelai 박사 (QNS)
에피소드 1
양자컴퓨터가 낯선 분들을 위해 “큐비트란?” 시 리즈를 시작합니다! 고전컴퓨터의 비트와 양자 컴퓨터의 큐비트를 알기 쉽게 비교하고, 큐비트 의 특성, 슈뢰딩거 고양이로 대표되는 양자 중첩 등을 소개해드리겠습니다. 아울러, 마지막 에피 소드에서는 저희 양자나노과학연구단에서 개발 한 세상에서 가장 작은 큐비트도 선보입니다.
매혹적인 분야인 양자물리학의 떠오르는 별인 큐비트(혹은 양자비트)는 정보의 연산과 통신에 서 새로운 차원의 문을 열어줍니다. 기본 컴퓨터 의 비트가 특정 순간에 0 또는 1의 상태로만 존 재할 수 있는 것과 달리, 양자컴퓨터의 큐비트는 양자 현상 덕분에 0, 1 또는 이 둘의 중첩 상태로 동시에 있을 수 있습니다. 큐비트는 이 특별한 중 첩 성질 덕분에 통해 병렬 계산이 가능하며, 양 자 컴퓨팅에서 혁신적인 잠재력을 가지고 있습니 다. 큐비트에는 중첩 외에도 얽힘이라는 중요한 특성이 있는데, 이는 두개의 큐비트가 아무리 멀 리 떨어져 있어도 그들간의 양자관계를 유지하 게 만듭니다.
고전 비트와 큐비트의 주요 차이점은 정보 처리 능력에 있습니다. 비트는 한 번에 하나의 상태만 나타낼 수 있는 반면, 큐비트는 양자역학을 활용 하여 다수의 정보를 동시에 처리할 수 있습니다. 이는 복잡한 문제를 해결하고 양자컴퓨터에 특 화된 양자 현상 시뮬레이션까지 가능하게 합니 다. 큐비트의 이러한 흥미로운 특성은 양자 컴퓨 팅의 새로운 시대로 가는 길을 열어, 양자 암호 화부터 양자 센싱에 이르는 분야에서 폭넓고 혁 신적인 발전을 이끌 수 있을 것으로 기대됩니다.
에피소드 2
혹시 슈뢰딩거의 고양이를 들어보셨나요? 양자 역학의 중첩 상태를 비유적으로 설명하는 유명 한 역설입니다. 살아있기도 하고 동시에 죽은 상 태이기도 한 양자 중첩된 슈뢰딩거 고양이를 만나보시죠! 양자역학은 불가사의한 면이 많습니다. 특히 슈뢰딩거의 고양이 역설은 양자 중첩을 매혹적으로 설명합니다. 1930년대 물리학자 에르빈 슈뢰 딩거(Erwin Schrödinger)가 창안한 이 사고 실험은 입자-파동 이중성의 개념을 밝히고 양자에 대한 우리의 이해를 넓힙니다. 우선 고양이를 독 약병, 방사선 탐지기, 방사성 원자가 들어 있는 상자에 넣고 봉인합니다. 방사성 원자는 양자 역 학에 따라 중첩 상태로 존재하며, 확률적으로 그 대로 유지되거나 붕괴합니다. 원자가 붕괴하면 가이거 계수기는 이를 감지하여 독을 방출해 고 양이를 죽입니다. 원자가 붕괴하지 않으면 독이 방출되지 않아 고양이는 살아남습니다. 결과적 으로 원자의 상태가 측정될 때까지 고양이는 살 아 있으면서도 죽어 있는 ‘중첩된 상태’로 존재합니다.
외부 관찰자가 상자 뚜껑을 열고 원자 상태를 관 찰하면 그제서야 고양이가 살거나 죽은 상태가 결정됩니다. 양자 시스템의 상태를 관측하는 이 간단한 행위는 우리의 상식에 반하는 양자상태 (삶과 죽음의 중첩)를 둘 중 하나의 상태(살았거 나 죽었거나)로 결정합니다. 이 실험은 관측과 양 자상태 사이의 복잡한 상호 작용을 강조하며 양 자의 세계는 우리의 직관과 다르게 움직인다는 것을 보여줍니다. 이렇듯 슈뢰딩거의 고양이는 양자 역학의 신비와 미시적 세계에서 관측에 대 한 근본적인 탐구를 시사합니다.
에피소드 3
제2화의 슈뢰딩거의 고양이가 역설적으로 들렸 겠지만 중첩은 양자 세계에 실제로 존재합니다. 이번에는 중첩을 그림으로 설명해드리겠습니다. 바로 이 중첩이 양자컴퓨터 큐비트의 핵심 성질 입니다.
양자역학의 중심에는 양자의 본질적인 특성인 ‘파동-입자 이중성’ 개념이 있습니다. 이는 우리 의 상식적인 직관을 거스르는 성질입니다. 루이 드 브로이(Louis de Broglie)는 양자 입자(전자, 광자, 중성자 등)가 실험에 따라 파동 특성과 입 자 특성을 모두 나타낼 수 있음을 입증했습니다. 예를 들어, 전자는 전자기파처럼 파동으로서 간 섭할 수 있지만(예: 영의 슬릿실험) 입자처럼 서 로 충돌할 수도 있습니다(예: 콤프턴 효과, 광전 효과). 양자 입자에게 파동 특성이 주어지면 이 입자의 특정 공간 및 시간적인 확률을 진폭으 로 설명할 수 있습니다. 이것을 파동함수라고 합니다.
슈뢰딩거의 고양이 역설로 돌아가면(제2화 참 조), 상자 내부의 방사성 원자와 슈뢰딩거의 고 양이의 상태는 확률 진폭의 분포로 설명될 수 있 습니다. 따라서 양자 중첩은 원자가 여러 상태를 동시에 가질 수 있게 하여, 그 상태가 관찰될 때 까지 고양이가 살아 있거나 죽었을 가능성을 모두 열어둡니다.
그러나 이때 ‘결맞음’과 ‘결어긋남’이라는 아리 송한 개념이 새롭게 등장합니다. 양자 결어긋남 (Quantum Decoherence)은 외부 환경과의 상 호작용 때문에 양자 시스템의 중첩된 상태가 점 차적으로 사라지는 과정입니다. 슈뢰딩거 고양 이의 경우 공기 입자나 빛과 같은 외부 세계와의 상호 작용으로 인해 양자 중첩이 없어져서 고전 적인 특정 상태로 정해질 수 있습니다.
요약하면, 양자인 입자의 파동과 입자 측면 사이 의 복잡한 상호 작용은 슈뢰딩거 고양이의 역설 적인 운명으로 빗대어 이해해볼 수 있습니다. 또 결어긋남은 양자의 중첩 상태가 어떻게 고전 상 태로 전환되는지 설명해줍니다.
Episode 4
이번 제4화에서는 양자컴퓨터를 만들기 위한 중 요한 도구들인 라비효과와 양자논리 게이트를 소 개해드립니다.
양자 컴퓨팅에서 큐비트의 핵심은 외부 자극에 대한 양자 상태의 반응을 제어하는 것입니다. 전 기 신호에 의해 변하는 고전 비트와 달리, 큐비 트는 가해지는 무선 주파수 펄스에 따라 0과 1 상태의 사이에서 계속 진동할 수 있습니다. 이를 라비(Rabi) 효과라고 하며 양자 컴퓨터 작동의 필수 요소입니다. 펄스의 주파수와 지속 시간을 조정하여 큐비트의 양자 상태를 정밀하고 일관 성 있게 제어할 수 있으면 복잡한 양자 연산을 수 행할 수 있습니다. 라비 효과는 물리학 분야는 물론, 화학과 의학에서 다양하게 활용하는 자기 공명영상(MRI)의 개발에도 중요한 역할을 했습니다.
양자 논리 게이트는 기존 컴퓨터의 고전 논리 게 이트와 동등한 역할을 합니다. 예를 들어 하다마 드 게이트는 중첩을 생성할 수 있습니다. 초기에 |0> 상태의 큐비트에 하다마드 게이트를 적용하 면 |0> 과 |1>의 중첩 상태가 됩니다. C-NOT 게 이트는 두 개의 큐비트를 연결합니다. 이러한 게 이트들은 양자 알고리즘 구현의 기본이 됩니다.
요약하면, 무선 주파수 펄스로 큐비트를 제어하 는 라비 효과와 하다마드나 CNOT 등의 양자 논 리 게이트는 큐비트로 양자 정보를 조작하고 처리할 수 있는 강력한 도구들입니다. 정확한 양자 제어와 양자 논리의 만남은 현재의 컴퓨터보다 현저히 빠르게 복잡한 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터 개발의 새로운 지평을 열어줄 것입니다.
에피소드 5
“큐비트란?” 시리즈의 마지막화입니다. 양자나노 과학연구단이 개발한 신개념 큐비트 플랫폼과 대표적인 양자 컴퓨터들을 소개해드립니다. 양자 컴퓨터의 큐비트를 만드는 방식은 여러가지가 있 으며 연구기관과 기업들은 각자의 전략을 따라 개발하고 있습니다.
복잡한 양자 컴퓨팅의 세계에서 프로토타입과 야 심찬 대규모 시스템간의 격차를 줄이는 중간 단계 로 “Noise Intermediate-Scale Quantum”(NISQ) 이라는 개념이 떠오르고 있습니다. 수십에서 수 백 큐비트로 구성된 NISQ는 섭동에 취약하여 양 자 오류 또는 ‘잡음’을 발생시키는 특징이 있습니 다. 민감도 때문에 발생하는 이러한 문제를 일반 적으로 해결할 광범위한 양자 오류 수정 기술은 아직 나오지 않았습니다. 이러한 장애물에도 불 구하고 NISQ는 분자 시뮬레이션부터 복잡한 문 제의 최적화 및 양자 기계 학습에 이르기까지 특 정 응용 분야에서 유망해 보입니다. 양자 컴퓨터 발전에서 이 단계는 연구자들이 큐비트를 안정화 하고 NISQ의 잠재력을 극대화하도록 장려하여, 양자 컴퓨팅의 성능을 고전 컴퓨터가 한계에 도달 하는 수준까지 끌어올립니다.
양자 컴퓨터의 대표적인 예는 다음과 같습니다.
A) 실리콘 도펀트(도너 큐비트): 도너 큐비트는 실리콘에 개별 인 또는 기타 도펀트 원자를 사용합니다. 주목할만한 기관은 실리콘 기 반 큐비트를 사용하는 Australian Centre for Quantum Computation and Communication Technology [6] 와 풀 스택 양자 컴퓨터를 개 발하려는 Silicon Quantum Computing [7]이 있습니다.
B) 토폴로지 큐비트: 마이크로소프트의 StationQ 프로젝트는 실리콘을 포함한 반도체 재료를 사용하여 토폴로지 큐비트를 연구합니다 [8]. 국제적으로 다양한 기관들이 양자 컴퓨팅을 위한 실리콘 기반 도너 큐비트를 적극적으로 탐색하고 있습니다. 실리콘 기반 양자 시스템 의 양자 측정에는 전자 스핀 공명(ESR)과 같 은 기술이 쓰이는 경우가 많습니다. ESR에서 는 도펀트 원자의 특성을 사용하여 큐비트의 상태를 조사하고 해독합니다.
C) 이온트랩: 큐비트 역할을 하는 이온트랩을 기반으로 하는 양자 컴퓨터 는 수년간 연구되어 왔습니다. 레이저 펄스와 특정 전자기장을 사용하 여 조작합니다. 갇힌 이온의 양자 측정은 양자 역학의 원리에 따라 바닥 상태 |0> 또는 들뜬 상태 |1> 중 하나에 양자 상태를 투영하는 레이저 기 술을 사용합니다. 이 방법으로 양자 논리 게이트를 수행하기 위한 양자 시스템을 제어할 수 있습니다.
D) 초전도 큐비트: 구글의 양자 프로세서인 시카모어(Sycamore)는 공진 기와 결합된 트랜스몬 큐비트를 활용하는 54개의 초전도 큐비트를 사 용하며 2019년에 공개됐습니다. 시카모어는 기존 슈퍼컴퓨터로는 수천 년이 걸리는 작업을 200초 만에 완료했습니다. 이들의 주장에 대한 논 란에도 불구하고 Sycamore는 양자 컴퓨팅에서 상당한 진전을 의미하 며 후속 연구에 박차를 가하고 있습니다.
E) 광자 기반 양자 컴퓨터: 지우장(Jiuzhang)은 양자 계산을 위해 “보손 샘 플링”을 이용하는 광자 기술을 활용합니다. 광자 큐비트의 양자 측정에 는 측정 시 광자의 상태를 바닥 상태 |0> 또는 들뜬 상태 |1> 중 하나로 투영하는 광자 검출기가 활용됩니다. 지우장은 양자 컴퓨터의 우월성을 주장하면서 76개의 광자를 조작하는 방법을 시연했습니다. 그러나 그 성과를 둘러싼 논쟁이 있으며 비평가들은 일반적인 적용 가능성에 의문 을 제기하고 있습니다. 지우장의 한계는 구글의 양자 컴퓨터처럼 다재다 능한 시스템과 달리 특정 작업만 수행할 수 있다는 것입니다. 더 폭넓은 관점에서 시리즈를 마무리하자면, 양자 컴퓨터의 발전은 복 잡한 계산을 빠르게 처리하고 이전에는 풀 수 없었던 문제를 해결하며 금융, 물류, 제약 연구의 혁신을 촉진함으로써 세계 경제에 혁명을 일으 킬 것입니다. 연구기관들은 이 국제적인 파도에 올라타야 하며 막대한 투자가 필요하겠지만 [9] 이는 국가의 경쟁력과 경제 성장에 크게 이바지할 것입니다.
출처 및 참고자료
[1]: Wang, Y., et al. Science 382, 87–92 (2023).
[2]: Veldhorst, M., et al. Nature 526, 410–414 (2015).
[3]: (a) https://ionq.com/quantum-systems/forte ; (b) Chen, J-S., et al. arXiv:2308.05071 (2023).
[4]: Arute, F., et al. Nature 574, 505–510 (2019).
[5]: Zhong, H-S., et al. Science 370, 1460-1463 (2020).
[6]: Australian Centre for Quantum Computation and Communication Technology: https://www.cqc2t.org/
[7]: Silicon Quantum Computing: https://sqc.com.au/
[8]: Microsoft’s StationQ: https://news.microsoft.com/stories/stationq/
[9]: https://www.bcg.com/publications/2023/enterprise-grade- quantum-computing-almost-ready