우리는 적어도 몇 년 동안 양자 컴퓨터에 대해 들어왔습니다. 그러나 그것은 무엇입니까? 양자 컴퓨터는 무엇을 위한 것입니까? 오늘은 간단한 단어로 모든 것에 관한 것입니다.
양자 컴퓨터 많은 연구자들이 과학 발전에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대하는 발명품이다. 그러나 양자 물리학이 어떻게 작동하는지 이해하는 것은 매우 어렵습니다. 일부 물리학자들은 현재의 "양자 컴퓨터"를 그렇게 불러야 하는지조차 의심합니다. 양자컴퓨팅 활용의 가장 큰 걸림돌은 양자머신 환경의 가장 작은 변화에도 영향을 받는 오류가 많다는 점이다. 지금까지 우리는 양자 비트의 잠재력을 충분히 만족스럽게 활용하지 못했습니다. 오늘 우리는 바로 이 양자 비트의 특별한 점을 알아내려고 노력할 것입니다.
양자 컴퓨터가 존재합니까?
진정한 과학자의 본질은 신뢰하지 않고 항상 확인하는 것입니다. 제가 아직 학생이었을 때 바로 이 말을 기억했습니다. 그리고 한 번 이상 그는이 문구의 정확성을 확인했습니다. 이것은 "양자 컴퓨터"에도 적용됩니다. 이 컴퓨터의 이름을 인용한 이유는 무엇입니까? 알아 보자.
양자 컴퓨터는 매우 복잡한 주제이지만 가능한 한 간단하게 만들고 접근 가능한 방식으로 이야기하려고 합니다. 오늘날에도 과학자, 물리학자 및 엔지니어는 작동하는 양자 컴퓨터가 세계 어딘가에 존재하는지에 대한 겉보기에는 단순한 질문에 대해 토론할 수 있습니다. "그러나 결국 IBM과 같은 회사는 양자 컴퓨터에 대해 자랑스러워합니다!" - 누군가는 말할 수 있습니다. 그리고 그는 옳을 것입니다. IBM이 실제로 양자 컴퓨터를 만들었는지 아니면 단순히 그 장치를 "양자 컴퓨터"라고 불렀는지는 미해결 질문으로 남아 있습니다.
내 친구 중 한 명이 양자 컴퓨터가 우리에게 익숙한 컴퓨터와 어떻게 다른지 간단한 단어로 설명하도록 요청할 때 나는 보통 간단한 비교를 사용합니다. 우리의 클래식 컴퓨터(예: PC, 노트북 저것 스마트폰)는 양초이고 양자 컴퓨터는 전구입니다. 둘 다 목적은 같습니다. 백열등과 양초의 경우 빛의 방출이고 컴퓨터의 경우 계산입니다. 그러나 두 경우 모두 목표가 완전히 다르게 달성되고 결과가 다릅니다. 간단히 말해서, 양자 컴퓨터는 전구가 단지 더 큰 촛불이 아닌 것처럼 현대 컴퓨터의 개선된 버전이 아닙니다. 양초를 점점 더 좋게 만든다고 전구를 만들 수는 없습니다. 전구가 달라요 기술, 더 깊은 과학적 이해를 기반으로 합니다. 마찬가지로 양자 컴퓨터는 양자 물리학을 기반으로 한 새로운 유형의 장치이며 전구가 사회를 변화시킨 것처럼 양자 컴퓨터는 보안 요구, 의료, 심지어 인터넷을 포함하여 우리 삶의 많은 측면에 영향을 미칠 수 있습니다.
따라서 컴퓨터를 전구와 비교하면 "양자 조셉 스완"(최초의 기능적인 백열 전구의 창시자)은 아직 나타나지 않았으며 지금까지 과학은 간단히 말해서 다음을 만들기 위해 노력하고 있습니다. "붉고 뜨거운 것"을 확인하여 얼마나 빛나는지 확인합니다. 우리는 양자 컴퓨터가 어떻게 작동하는지에 대한 몇 가지 이론적 토대를 알고 있지만 여전히 해결되기를 기다리고 있는 양자 컴퓨터의 발전에 큰 장애물이 있습니다.
전 세계의 연구 센터와 기업은 추가 테스트와 연구를 수행하고 있으며 양자 물리학 분야의 전문가들은 이 단계에서 달성할 수 없는 목표를 달성하는 데 사용할 수 있는 완전한 기능의 양자 기계의 생성이 분명히 수십 개가 넘을 것이라는 데 동의합니다. 년.
나는 현재 양자 컴퓨터라고 불리는 기계가 그런 이름을 가질 자격이 전혀 없다고 믿고 많은 과학자들이 나와 동의할 것입니다. 그들은 계산을 수행하거나 우리가 정상적이고 고전적인 방식으로 해결할 수 없는 문제를 해결하는 능력이 부족합니다.
우리는 현재 고전 컴퓨터에서 접근할 수 없는 문제를 해결할 양자 기계를 만들 수 있을 정도의 기술 발전에 아직 도달하지 않았습니다. 물론 Google이나 IBM은 고전적인 방식으로 수행하기 어려운 일부 또는 기타 수행된 계산에 대해 이야기하지만 현재로서는 설득력이 없습니다.
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양자란 무엇인가?
어쨌든 "양자"가 무엇입니까? 그것은 물리적인 대상이 아닙니다. "양자"라는 용어는 물리학에서 가능한 가장 작은 부분을 설명하는 데 사용됩니다. 따라서 "힘 양자", "시간 양자" 또는 "입자 양자"를 가질 수 있습니다. 이 경로를 따라가면 "양자 물리학" 및 "양자 역학"과 같은 용어, 즉 원자 및 개별 쿼크 수준에서 가능한 가장 작은 상호 작용 또는 시스템을 다루는 과학 분야에 도달하게 됩니다.
그리고 이제 우리는 큐비트(quantum bit), 즉 "양자 정보의 가장 작고 나눌 수 없는 단위"에 도달했습니다. 동시에 우리는 또한 고전 컴퓨터(비트 사용)와 양자 컴퓨터(큐비트 사용)가 계산을 수행하는 방식의 유사점과 차이점에 대해 알려주는 첫 번째 요점에 도달합니다.
고전적인 컴퓨터에서 정보의 각 조각은 과 의 시퀀스로 저장됩니다. 이러한 정보는 컴퓨터, 콘솔, 스마트폰, 스마트 워치 저것 스마트 티비, 이 정보에 대해 수행되는 작업과 유사합니다. 휴가 사진을 보거나 친구와 채팅을 하거나 최신 게임을 하거나 고급 암호 계산을 수행하는 등 모든 것이 0 또는 1만 있고 다른 것은 없는 이진 시스템에서 발생합니다. 사실, 그것은 고전적인 예 또는 아니오에 가깝습니다.
한계에 도달했을 때 이 시스템이 얼마나 비효율적인지 알 수 있습니다. 또 다른 셀카를 찍을 수 있는 스마트폰의 공간이 부족하거나 과학자들이 전염병의 발전에 대한 수학적 모델을 만들려고 하든, 문제는 과 이 너무 많고 이를 저장할 리소스와 계산할 수 없습니다.
큐빗은 이 문제를 해결합니다. 이 정보 조각은 소위 중첩에 남아 있도록 허용하는 양자 물리학의 속성을 사용합니다. 큐비트는 0에서 1 사이의 값을 가질 수 있습니다. 전체 스펙트럼의 속성을 가지며 15% 85 및 % 과 같은 값을 가질 수 있습니다. 이론적으로 이를 통해 훨씬 더 많은 정보를 저장하거나 계산 속도를 높일 수 있습니다. 그러나 동시에 통제하기 어렵고 이해하기조차 어려운 많은 문제가 발생합니다.
컴퓨팅 성능을 추가로 확장할 수 있는 양자 컴퓨터의 또 다른 기능은 양자 얽힘을 사용하는 것입니다. 이것은 두 개의 큐비트가 서로 연결된 상태이며, 그 중 하나를 관찰할 때마다 다른 하나는 정확히 같은 상태가 됩니다. 얽힘을 사용하면 큐비트를 정보 기록 및 처리를 위해 훨씬 더 효율적인 단위로 그룹화할 수 있습니다.
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양자 장비
양자 컴퓨터는 큐비트를 저장하는 영역, 큐비트에 신호를 전송하는 방법, 프로그램을 실행하고 명령을 보내는 클래식 컴퓨터의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다.
큐비트를 구성하는 양자 물질은 섬세하고 환경 영향에 극도로 민감합니다. 일부 큐비트 저장 방법의 경우 큐비트를 수용하는 단위는 일관성을 최대화하기 위해 절대 도에 가까운 온도로 유지됩니다. 다른 유형의 큐비트 저장소는 진공 챔버를 사용하여 진동을 최소화하고 큐비트를 안정화합니다.
큐비트로 신호를 전송하는 방법에는 마이크로파, 레이저, 전압 등 다양한 방법이 있습니다.
양자 컴퓨터가 정상적으로 작동하기 위해서는 많은 문제를 해결해야 합니다. 양자 컴퓨터의 주요 문제는 오류 수정이며, 스케일링(큐비트 추가)은 주파수를 더욱 증가시킵니다. 이러한 한계 때문에 책상 위의 양자 개인용 컴퓨터는 아직 먼 미래이지만 상용 양자 컴퓨터는 가까운 장래에 사용할 수 있게 될 것입니다. 이에 대해 더 자세히 이야기해 보겠습니다.
양자 컴퓨터의 문제
그러나 양자 컴퓨터에는 한 가지 큰 문제가 있습니다. 즉, 과학자들은 특별한 속성 덕분에 큐비트에서 데이터를 정확하게 읽을 수 있도록 충분히 차분한 환경이 필요하기 때문에 사용에 큰 문제가 있습니다. 아주 작은 위반이라도 정보를 정확하게 읽는 것을 불가능하게 만듭니다.
고전 컴퓨터의 경우에도 비슷한 문제가 과거에 중요한 역할을 했지만 오늘날에는 너무 미미하여 학계에서도 간과되는 경우가 많습니다. 우리는 오류율에 대해 이야기하고 있습니다. 정보의 비트 또는 큐비트 중 손상될 수 있는 비율을 결정하는 지표입니다. 이는 예를 들어 과전압 또는 기타 교란 시 발생할 수 있습니다.
기존 장치의 경우 오류 확률은 대략 ~ 1017 조금 양자 컴퓨터의 경우 이것은 여전히 수백 개 중 하나입니다. 그리고 이것은 양자 컴퓨터가 가장 고립된 조건과 섭씨 -272도, 즉 절대 영도보다 약간 높은 온도에서 작동하는 상황입니다. 모든 온도 변동, 전자기장의 변화, 심지어 움직임도 전체 계산을 파괴합니다.
또 다른 문제는 양자 상태의 "불안정성"입니다. 양자 상태를 측정하거나 교란할 때마다 과 의 두 위치 중 하나로 되돌아갑니다. 이 경우 양자 상태가 붕괴됩니다. 이 과정을 양자 결맞음이라고 합니다.
이렇게 생각하십시오. 양자 컴퓨터는 복잡한 계산을 수행하는 숙련된 수학자이며 그 결과는 0백만에서 1백만 사이입니다. 우리는 차례로 무언가가 너무 많거나 너무 적을 수 있다는 것을 이해하는 어린이입니다. 수학자가 356 또는 670,23와 같이 다른 결과를 가질 때마다 세계에 대한 우리의 이해에 따라 이러한 결과 각각은 둘 사이의 특정 차이점을 정의하지 않고 소수(1) 또는 다수(846)로 분류됩니다. 이것이 양자 결맞음입니다. 정확한 계산을 하는 유일한 방법은 수학 작업이 완료되기 전에 보장하는 것입니다.
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우리는 무엇을 위해 양자 컴퓨터를 사용할 것입니까?
오늘날 20년 전처럼 양자 컴퓨터가 무엇에 사용될 수 있는지, 스마트폰이 무엇에 사용될 수 있는지에 대한 질문이 제기되고 있습니다. 물론 이미 몇 가지 계획과 가정이 있지만 큐비트 사용에 대한 가장 흥미로운 방향은 아마도 양자 컴퓨터가 널리 보급되면 분명해질 것입니다.
암호화는 양자 컴퓨팅이 가장 자주 사용되는 가장 인기 있는 분야 중 하나입니다. 문제는 매우 안전한 방식으로 정보를 전송하는 방법이 될 것이며 보안은 컴퓨팅 프로세스의 복잡성에 기반을 두지 않고 특정 일이 단순히 불가능하다는 확신을 줄 물리학 법칙에 기반한다는 것입니다. 그리고 현재로서는 듣고, 스파이하고, 해킹하는 것이 불가능합니다.
이 경우 보안은 큐비트의 물리적 특성에 의해 보장됩니다. 큐비트는 앞에서 설명했듯이 관찰되는 즉시 중첩 기능을 표시하지 않습니다. 따라서 인코딩된 메시지를 가로채거나 복사하려는 시도는 단순히 메시지를 파괴합니다.
양자 컴퓨터를 사용하면 자연 과정을 더 잘 이해할 수 있습니다. 중첩의 "혼돈"은 예를 들어 DNA의 돌연변이, 따라서 질병 및 진화의 발달 방식을 훨씬 더 잘 반영합니다. 양자 컴퓨팅은 오늘날 이미 신약 개발에 사용되고 있습니다.
아마도 데이터 순간 이동을 위한 양자 컴퓨터의 사용에 대해 이야기하는 것이 합리적일 것입니다. 예, 정확히 데이터의 순간 이동, 그리고 아마도 사람입니다. 우리는 정보를 물리적으로 옮기지 않고도 이곳저곳으로 텔레포트할 수 있을 것입니다. 환상처럼 들리지만 가능한 것은 양자 입자의 이러한 유동성이 시간과 공간에 얽혀 한 입자의 변화가 다른 입자에 영향을 미치고 순간 이동을 위한 채널을 만들기 때문입니다. 이것은 이미 실험실에서 입증되었으며 미래의 양자 인터넷의 일부가 될 수 있습니다. 아직 그러한 네트워크가 없지만 일부 과학자들은 이미 이러한 가능성에 대해 연구하고 있으며 양자 컴퓨터에서 양자 네트워크를 시뮬레이션하고 있습니다. 그들은 이미 네트워크 사용자 간의 순간 이동 및 효율적인 데이터 전송, 보안 투표와 같은 흥미로운 새로운 프로토콜을 개발하고 구현했습니다.
또한 양자 컴퓨터를 사용하여 다양한 상황을 시뮬레이션하고 의약품과 백신을 포함한 문제에 대한 솔루션을 찾아야 한다고 말해야 합니다. 예를 들어, 코로나바이러스와 같은 전염병이 발생하는 동안 더 빠른 계산과 옵션 계산이 필요할 때입니다. 여기에서 기존 컴퓨터에서는 수행할 수 없는 양자 모델링의 가능성을 사용할 수 있습니다. 새로운 질병이 나타나면 치료법을 찾는 데 약 15년이 걸리고 최대 2,6억 달러가 소요될 수 있습니다. 일부 질병에서는 기증자가 될 가능성이 있는 수백 명의 유망한 개인만 식별하기 위해 수백만 개의 분자를 필터링해야 합니다. 그런 다음 테스트 중에 약 99%의 분자가 다른 무엇보다도 잘못된 행동 예측 및 샘플링 제한으로 인해 떨어집니다. 여기에서 양자 컴퓨터가 전면에 등장할 것입니다.
그리고 이것들은 여전히 양자 물리학을 사용하여 달성할 수 있는 놀라운 아이디어 중 일부에 불과합니다. 현재 우리는 그녀의 변덕스러운 성격을 어느 정도 길들일 수 있지만 모든 발전은 여전히 초기 수준입니다. 실제 양자 컴퓨터의 탄생과 그 대량 적용은 아직 멀었지만 진전은 멈추지 않는다. 따라서 아마도 약 년 후에 양자 컴퓨터의 도움으로 이 기사를 읽고 겸허하게 웃을 것입니다.
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