양자 컴퓨터 (Quantum computation)

1. 양자 컴퓨터(Quantum computation) • Quantum Information technology • 양자 컴퓨터의 역사 • 기존컴퓨터와 양자 컴퓨터 • 큐빗(Qubit) • 양자 전송(Quantum teleportation) • 양자 암호(Quantum Crytograph) • 알고리즘 • 양자컴퓨터의 필요조건 • 관련기사 • 결론 • 연구방향

2. Quantum Information Technology 양자정보기술(Quantum Information Technology)이란 양자역학계의 특징인 불확정성, 중첩, 간섭, 얽힘 등을 이용하여 지금까지와는 근본적으로 다른 방식으로 정보를 처리하고, 전송하는 일련의 방법 및 기술이다.

3. 양자컴퓨터의 역사

4. 큐빗(Qubit) • 기존의 컴퓨터의 최소단위는 비트(bit)로 0또는 1의 한 값을 가진다. 반면 양자전산에서는 양자비트(quantum bit) 또는 큐빗(qubit)이라는 최소단위를 사용하며 큐빗은 0또는 1의 값뿐만 아니라 0과 1을 동시에 지닐 수 있다. 즉, 양자역학의 중첩의 원리에의해 수행된다. 물리적에서 양자컴퓨터에서의 큐빗은 스핀 1/2입자들의 스핀상태를 이용한다. N개의 스핀 1/2입자는 2^n차원으로 기술되며 그 변환은 2^n*2^n행렬로 표현된다. • 따라서 n이 증가하면 Hibert space의 차원은 지수함수적으로 증가한다.

5. 레이저를 통한 Qubit 설정

6. 양 자 전 송(Quantum Teleportation) Aliced와 Bob은 미리 얽힘상태에있는 두개의 큐빗을 하나씩 가지고 있다. 이제 Alice 가 자신의 큐빗에 유니터리 변환을 가하게 되면 네개의 직교상태 중 하나로 변환한다. 그 후 Alice는 자신의 큐빗을 Bob에게 보내게 되고 그러면 Bob은 네개의 직교변환 중 최대의 얽힘상태를 측정하여 Alice가 행한 유니터리 변환을 알게되고, 그래서 Bob은 Alice가보낸 정보를 알게된다.

7. 양 자 암 호(Quantum Cryptogrph)

8. 양자 컴퓨터에 이용되는 알고리즘 • Shor`s Algorithm • 쇼어는 QFT(Quantum Fourier Transform)을 이용하여 함수의 주기를 구하는 알고리즘을 고안했고 이를 이용하여정수를 단시간에 소인수 분해함으로써 큰 수의 소인수분해가 가능하게 되어 현재 쓰이는 RSA라는 암호체게를 더 이상 사용할 수 없도록 한다. • Grover Algorithm • Grover 알고리즘은 데이터 베어스에서 특정조건을 만족하는 항 목을 찾는 양자 알고리즘으로 소인수 분해를 하지 않고 1부터 대입하여 구하여도 몇 분이면 해독의 열쇠를 알수 있는 능력을 가지고 있음

9. 양자 컴퓨터의 필요조건 • 정보를 구현할 수 있어야 한다. • 큐빗을 무엇으로 사용하느냐의 문제로 스핀 1/2입자의 스핀상태. 빚의 편광상태 등이 이용되고 있으며 이들은 중첩과 같은 양자 역학적 특징을 가질 수 있어야 한다. • Elementary gate 에 해당하는 operation이 가능해야 한다. • 1 qubit rotation, 2 bit XOR operation이 가능해야 한다는 것으로 주어진 양자계의 해밀토니안을 이용해서 이러한 operation을 구현할 수 있다. • 연산을 위한 초기 상태의 준비가 가능해야 한다. • 초기 상태의 준비는 특정한 순수상태를 만들어 내는 것으로 보통 양자계는 실온에서 열 평형 상태의 혼합상태에 있게 되므로 온도를 매우 낮추어 바닥 상태로 만들어야 하는 문제점이 있다. • 연산결과를 읽어낼 수 있어야 한다. • 연산의 결과를 읽어 내는 적절한 방법이 존재해야 한다는 것으로 양자계의 경우 적적한 해밀토니안을 이용하여 연산결과를 표현할 수 이어야 한다.

10. 관련기사 • “일본 NEC는 `꿈의 컴퓨터`로 불리는 `양자컴퓨터`의 고체회로 소자개발에 세계최초로 성공했다고 28일 발표했다. 이 소자를 사용한 양자 컴퓨터가 완성될 경우 현재 최고성능을 자랑하는 수퍼컴퓨터가 10조년 걸릴 200자리 암호해독을 1시간에 마칠 수 있는 능력을 지니게 된다. NEC의 고체회로 소자는 소자를 여하 272.15(절대온도 1도)이하로 냉각시켜 초전도상태로 만든 뒤 고속 전압펄스를 가하는 방식에 의해 개발됐다. 개발된 소자는 전자 파장을 자유자재로 조절할 수 있으며, 이런 소자를 여러 개 병렬시킨 집적회로와 궁극적으로는 양자컴퓨터 개발도 가능함을 실증했다고 NEC는 밝혔다.” -조선일보-

11. 결론 • Quantum parallelism이 속도향상을 위해서는 문제의 구조가 매우 많은 해답을 갖는 구조이어서는 안된다는 전제 조건이 필요하다. 또한 양자 컴퓨터의 어려운 점은 양자 전산은 원자 스케일의 시스템속에서 Hibert space라는 거대한 공간이 존재 하기때문에 초기의 잘 정의된 상태에서 복잡한 마지막 상태까지의 궤도를 그리기에는 매우 어렵다. 양자 컴퓨터의 개발에서 가장 문제가 되는 것은 외부의 노이즈에 의한 섭동에 양자 컴퓨터가 매우 민감하다는 것이다. 현대 미국 로스알라모스 국립연구소에서는 양자 컴퓨터가 계산 중 오차를 견딜 수 있음을 밝혔다. 현재 수십개의 qubit,quantum computer를 만들수 있으며 다양한 quantum device들이 개발되고 있다. 다라서 20년 후에는 기존의 컴퓨터가 원자 스케일로 줄어들 것이고 “Pentium Pro II, Intel inside”에서 “quantum Pro, spins inside”라는 말이 쓰일 것이다.

12. 연구방향 • 양자전산이 실제 하드웨어 구현은 1995년 미국 표준연구소에서 이온 덫을 가지고 처음 실현하였고 1997년 핵 자기 공명(NMR)을 이용한 구현이 보고되었다. 그 후 cavity QED난 양자점을 이용한 연구가 시작되었다. 최근에는 죠셥슨 소자나 반도체안의 불순물 핵, cellular automata, meural network 등을 이용한 연구가 이루어 졌다. 현재까지는 NMR을 이용한 방법이 가장 성공적이다.