1일1개 (89) - ㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋㅋ큐 비트

1일 1개념정리 24.08.09.금 ~ 

 

큰 결정에 큰 동기가 따르지 않을 때도 있다. 하지만 큰 결심이 따라야 이뤄낼 수 있다.

무조건 무조건 1일 1개의 개념 정리하기 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

---

#89. 큐 비트 ( = Qubit = Quantum Bit )

이번에 Y대학교에서 국내 최초로 양자컴퓨터( IBM 퀀텀 시스템 원 )를 들여왔는데, 뭔가 신기해서 큐비트에 대해서 정리해보려 한다. 큐비트는 "양자컴퓨터"에서 쓰이는 비트 단위라고 생각한다. 큐비트에 대해 알아봅시다.

 

큐 비트

큐비트는 양자 컴퓨터에서 정보를 저장하고 처리하는 단위이다. 일반적인 컴퓨터는 0과 1 값을 가지는 bit로 처리하지만, 큐비트는 양자역학적 성질을 이용해 0, 1, 그리고 "0과 1의 공존" 이렇게 3가지 상태 값을 가진다. 공존이라니 벌써부터 어지럽지만, 큐비트의 특징을 가볍게 알아보자.

 

1. 중첩

• 큐비트는 0과 1 두 상태를 "동시에" 가질 수 있다.
• bit처럼 0과 1만 있는 게 아니라 0과 1이 동시에 존재해서 병렬 계산을 수행한다.
• 이게 진짜 핵심인데, 자칫하면 0과 1과 0,1동시.... 이렇게 총 3개의 값이니까 비트는 2^n개 표현, 큐비트는 3^n개 표현이구나!! 라고 생각할 수 있는데 아니다 !!! 동시에 존재함으로 인해 병렬 계산이 가능해 N개의 큐비트는 2^N개의 상태를 한번에 계산할 수 있다. / 아주 간단히만 계산해도 10bit는 1024개 표현인데, 10큐비트는 2^1024개의 상태를 표현한다 ..... 정말 말도 안된다.

2. 얽힘 : 두 개 이상의 큐비트가 "얽힌 상태"에 있다는 것은, 하나의 큐비트 상태를 알게 되면 다른 큐비트의 상태도 알 수 있다는 것이다. → 멀리 떨어진 큐비트 간에도 얽힘이 유지될 수 있다. (큐비트간 정보 공유를 빠르게 한다)

 

3. 측정 : 큐비트를 측정하면 0 또는 1 중 하나의 값으로 "붕괴"한다.

 

4. 양자 게이트 : 큐비트를 조작하는 데 사용되는 연산으로, 기존 컴퓨터의 and, or, not과 유사하지만 양자 게이트는 큐비트를 중첩 상태로 만들거나 얽히게 할 수도 있다.

 

중첩과 얽힘

중첩과 얽힘에 대해서만 다시 알아보자.

1. 중첩 = 동시 계산

큐비트가 동시에 0과 1의 상태를 가질 수 있다는 성질이다. 동전으로 예를 들어보자.

• 기존 bit : 동전은 0앞면 또는 1뒷면 둘중 하나로 고정됨.
• 큐비트 : 마치 공중에서 회전 중인 동전처럼 "동시에" 앞면과 뒷면의 가능성을 모두 가지고 있다. = 두 상태가 공존

→ 2개의 큐비트라면 00 01 10 11 총 4개의 상태를 "한번에 계산"할 수 있다. 왜냐면, 동전이 돌고 있는데 관찰하는 순간 딱 멈추는건데 그때 숫자를 보면 된다.

 

2. 얽힘 = 상태 공유

얽힘은 두 개 이상의 큐비트가 강하게 연결되어, 하나의 상태가 결정되면 다른 하나의 상태도 바로 결정되는 성질이다. 심지어 두 큐비트가 아주 멀리 떨어져 있어도 유지된다.

• 얽힌 큐비트는 멀리 떨어져 있는 쌍둥이다.
• 한쪽 쌍둥이가 빨간 셔츠면, 반드시 다른쪽 쌍둥이는 파란 셔츠를 입는다.
• 그럼 한명만 상태를 확인해도 반대쪽이 무슨 셔츠 입었는지 알아낼 수 있다. = 강력한 정보 공유

 

활용

• 암호 해독 : 예전엔 양자컴퓨터라 하면 암호 빠르게 풀어서 보안 마비~~~ 뭐 그런 게 많았다. 현재 사용되는 대다수의 보안이 소인수 분해 알고리즘을 사용하는데, 양자 컴퓨터가 이를 빠르게 풀어서 보안에 위협을 줄 수 있다.
• 약물 설계 : 분자 시뮬레이션을 빠르게 수행 → 신약 개발 가속화.
• 최적화 문제 : 물류, 금융, 통신 네트워크 등에서 최적의 솔루션을 찾는 데 유용.
• 기계 학습 : 양자 머신러닝 알고리즘을 통해 데이터 분석과 예측 능력을 향상.

 

한계점

1. 오류 : 현재의 큐비트는 환경 변화에 매우 민감해서 오류를 줄이기 위한 양자 오류 정정(Quantum Error Correction) 기술이 필요하다.
2. 규모 확장 : 현재의 양자 컴퓨터는 수십개의 큐비트를 다루고, 성능 좋으면 수백 큐비트인데(이번에 Y대의 양자컴퓨터는 127 큐비트였던 것으로 기억) 상용화를 위해서는 수백만 개의 큐비트가 필요할 것입니다.
3. 복잡성 : 큐비트를 안정적으로 유지하기 위해 -273°C로 냉각하거나, 초정밀한 장비가 필요함