설명: 양자 우월성이란 무엇입니까?

양자 우위는 컴퓨팅 분야에서 오랫동안 추구해 온 이정표이며 이제 Google은 도달했다고 발표했습니다. 개념 이면의 과학과 실제로 달성한 것과 남은 것이 무엇인지 살펴보십시오.

미국 캘리포니아 산타바바라 연구소에 있는 Google 양자 컴퓨터의 구성 요소. (사진=로이터통신)

이번 주 Google은 양자 우위 컴퓨팅에서. 그것이 의미하는 바는 무엇이며 왜 중요한가요?

그렇다면 양자 우월성은 무엇인가?

2012년 캘리포니아 공과대학 이론물리학 교수인 존 프레스킬(John Preskill)이 제안한 용어입니다. 양자 컴퓨터가 고전 컴퓨터가 할 수 없는 일을 할 수 있는 지점을 설명합니다. Google의 경우 산타바바라 캘리포니아 대학의 연구원들은 기존 컴퓨터에서 10,000년이 걸렸을 계산을 수행하는 데 200초가 걸리는 프로세서를 개발했다고 주장했습니다.

그러나 양자 컴퓨터는 무엇입니까?

우리의 전통적인 컴퓨터는 특히 전기의 흐름을 활용하여 고전 물리학 법칙을 기반으로 작동합니다. 반면에 양자 컴퓨터는 원자와 아원자 입자의 거동을 지배하는 법칙을 이용하려고 합니다. 그 작은 규모에서 고전 물리학의 많은 법칙이 더 이상 적용되지 않고 양자 물리학의 고유한 법칙이 작용합니다.

그러한 컴퓨터를 개발하는 것은 거의 40년 동안 과학자들의 목표였습니다. 1981년 물리학자 Richard Feynman은 다음과 같이 썼습니다. 물리학의 컴퓨터 시뮬레이션을 찾는 것은 나에게 훌륭한 프로그램인 것 같습니다... 자연은 고전적이지 않습니다... 그리고 자연의 시뮬레이션을 만들고 싶다면 더 좋을 것입니다. 그것을 양자 역학적으로 만들면 골리(golly)에 의해 그것은 그렇게 쉽게 보이지 않기 때문에 훌륭한 문제입니다.

그러한 시뮬레이션이 어떤 차이를 만들까요?

처리 속도에 관한 것입니다. 고전적인 컴퓨터가 정보를 처리하는 방법을 살펴보겠습니다. 정보 비트는 0 또는 1로 저장됩니다. 이러한 숫자의 모든 문자열(비트 문자열)은 고유한 문자 또는 명령을 나타냅니다. 예를 들어, 01100001은 소문자 a를 나타냅니다.

양자 컴퓨터에서 정보는 양자 비트 또는 큐비트에 저장됩니다. 그리고 큐비트는 동시에 0과 1이 될 수 있습니다. 양자 물리학은 물리학자들도 이상하다고 묘사하는 개념을 포함합니다. 한 물체가 한 번에 한 장소에 존재할 수 있는 고전 물리학과 달리 양자 물리학은 물체가 다른 지점에 있을 확률을 봅니다. 여러 상태로 존재하는 것을 중첩(superposition)이라고 하고, 이러한 상태 사이의 관계를 얽힘(entanglement)이라고 합니다.

큐비트의 수가 많을수록 큐비트에 저장된 정보의 양이 많아집니다. 같은 비트 수에 저장된 정보에 비해 큐비트의 정보는 기하급수적으로 증가합니다. 이것이 양자 컴퓨터를 그토록 강력하게 만드는 이유입니다. 그러나 Caltech의 Preskill이 2012년에 썼듯이 안정적인 양자 하드웨어를 구축하는 것은 양자 시스템을 정확하게 제어하기 어렵기 때문에 어려운 일입니다.

미국 캘리포니아 산타바바라 연구소에서 Google의 양자 컴퓨터 중 하나를 사용하는 Sundar Pichai. (사진=로이터통신)

그것이 구글이 이룬 성과인가?

연구원들은 양자 컴퓨터가 무엇을 할 수 있는지 시연했습니다. 그들은 Google의 양자 컴퓨터인 Sycamore로 54큐비트 아키텍처를 구축했습니다. 이 중 하나는 수행되지 않았지만 다른 53개 큐비트는 중첩 상태로 얽혔습니다.

팀은 약 1,000번의 작업으로 구성된 무작위 순서를 구성했습니다. 그런 다음 이 무작위 알고리즘을 실행할 때마다 양자 컴퓨터는 비트열을 생성합니다.

이제 일부 비트열은 다른 비트열보다 발생할 가능성이 더 높으며 어떤 비트열이 더 가능성이 높은지 식별할 수 있습니다. 그러나 무작위 양자 회로가 더 복잡할수록 기존 컴퓨터에서는 가능성 있는 비트열을 식별하기가 더 어려워지고 난이도가 기하급수적으로 증가했습니다. 구글은 이메일에서 양자 프로세서가 매우 복잡한 무작위 알고리즘을 계산하는 데 200초가 걸리지만 가장 빠른 슈퍼컴퓨터는 10,000년이 걸린다는 것을 시연했을 때 우위를 점했다고 밝혔습니다.

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그럼 그게 무슨 소용이 있겠습니까?

실제 적용에 관한 한 없음. 수행된 작업은 이 이정표에서 그다지 중요하지 않습니다. Google에서 보낸 이메일에 따르면 이정표가 처음에 발생했다는 사실이 훨씬 더 중요합니다. Wright 형제를 유추로 인용했습니다. 비행이 가능하다는 것을 증명하기 위해 비행기가 어디로 향하고 있는지, 어디로 이착륙했는지는 그다지 중요하지 않았지만 전혀 날 수 있었다는 것입니다.

모두 확신합니까?

IBM은 기존 컴퓨터로는 양자 계산을 수행할 수 없다는 구글의 주장에 이의를 제기했다. 블로그 게시물에서 IBM은 Google 연구원이 설명한 계산이 기존 컴퓨터로 10,000년이 아니라 2.5일 이내에 달성될 수 있다고 주장했습니다.

덧붙여서, IBM은 목요일에 양자 컴퓨팅의 혁신을 주장했습니다. IBM은 웹사이트에서 연구원들이 개별 원자의 양자 거동을 제어하는 ​​데 획기적인 발전을 이루었으며 양자 계산을 위한 다재다능한 새로운 빌딩 블록을 시연했다고 밝혔습니다. 이 논문은 사이언스 저널에 실렸습니다. Google의 연구는 Nature에 게재됩니다.

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다음은?

과학자들은 오류 감지 및 수정을 포함하여 작업을 개선하기 위해 노력하고 있습니다. University of California, Santa Barbara는 이 연구가 난수 생성을 위한 매우 실제적인 도구를 이미 달성했다고 언급했습니다. 난수는 정부에 잠재적으로 골치 아픈 문제가 될 수 있는 암호 해독을 위해 암호화된 키를 보호하는 것을 포함하여 다양한 분야에서 유용할 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 언젠가 과학 연구와 기술의 엄청난 발전을 가져올 수 있습니다. 얻을 수 있는 분야로는 인공 지능과 신약 요법이 있습니다. 그러나 그 모든 것이 멀리 떨어져 있습니다.

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