1. 양자 컴퓨터를 날로 이해해보쟈

(전 글에 있지만, 애저 official 내용을 기준으로, GPT O3_mini 에게 질문 및 답변에 대해서 정리하고 변환한 글임. 혹시 잘못된거 있으면 알려주셈.)

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우선 글 들어가기 전에.. 양자역학을 반드시 이해하고 넘어가야함 ㅇㅇ

이게 큐비트 동작원리가 0과 1이 동시에 존재하는 것에 대해서 연산을 하다보니깐, 양자 역학이 필수로 들어감 ㅇㅇ

참고로 이건 맛보기에 불과하다는 것..
 

 

 

1.개요

양자컴퓨터에 대해서 살펴봅니다.

 

2.인덱스

(1) 양자역학

(2) 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 동작 원리 차이

 

3. 상세

(1) 양자역학

항상 들어왔던 그 양자역학...

양자는 화학에서 사용되는 분자, 원자, 중성자와 같은 입자 단위가 아닌, 상태를 뜻합니다. 매번 얘기가 나오는 슈뢰딩거의 고양이는 모두 들어봤을 것이고, 고양이를 상자 안에 넣었을 때 그 고양이는 우리가 확인하기 전까지는 죽었을지 살았을지 모릅니다.

즉, 무언가를 확인하기 전까지는 그 상태가 모두 공존하는 것을 의미합니다. 우리가 상자를 열어서 고양이의 상태를 눈으로 보는 순간, 즉 확인하는 순간 이미 양자 상태가 붕괴됩니다.

더 쉬운 예시로는, 동전을 튕기는 것이 있는데요. 이 동전이 공중에서 계속 회전을 할 때는 앞면과 뒷면이 계속 공존합니다. 그리고 땅바닥에 떨어져서 동전이 앞면이 보이는지 뒷면이 보이는지가 확정됩니다.

따라서, 양자 상태는 결과가 정확히 측정되기 이전까지 상태가 모두 존재하는 상태들을 포괄합니다.

 

(2) 고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 동작 원리 차이

a. 고전컴퓨터는..

지금도 사용하고 있는 컴퓨터입니다. 입력이 하나가 들어오면, 이에 대해서 하나의 결과를 만듭니다.

엑셀 프로그램을 실행, 즉 입력하면, 엑셀 프로그램이 화면에 뜹니다. 1개의 결과가 나오죠. 물론 오류가 날 때도 있지만, 어찌되었든 결과는 1개가 나옵니다.

SQL을 이용해 쿼리를 실행하면, 하나의 결과가 나오고, 그것이 0개의 결과는 n개의 결과든 결과는 무조건 1가지만 나오게 됩니다.

이는 수학에서 함수와도 연관됩니다. y = x,  y = x^2,  y = log x 등. 입력되는 것들에 대해서 결과는 무조건 1개로만 귀결됩니다.

 

b. 양자컴퓨터는..

고전 컴퓨터는 무조건 결과가 1개로만 귀결되지만, 양자 컴퓨터는 다릅니다.

그렇다고 결과가 수십 수백 수천개가 동시에 쏟아진다는 것은 아닙니다.

현재 시점의 양자 컴퓨터는 어떤 연산에 대해서 그 결과가 모두 공존하고 있습니다. 그 연산되는 과정, 즉 양자상태에서 우리가 눈으로 결과를 1개 도출할 때, 이 양자 상태가 붕괴되며 어떤 결과를 1개를 배출해내죠.

즉, 양자 상태에서, 1+1 은 2, 3, 4 등 여러개일 수 있습니다. 다만, 양자 컴퓨터가 알려줄 때는 1+1 = 2 일 확률이 제일 크기 때문에, 우리가 약 1억번의 결과를 도출할 때 2라는 결과를 보여줄 경우가 많습니다.

이러한 오류율로 인해, 현재 양자 컴퓨터의 오류 확률을 줄이기 위해, 현재도 많은 시도가 되고 있습니다.

 

c. 고전 컴퓨터의 아키텍처

튜링 머신, 폰노이만 아키텍처, 하버드 아키텍처 등. 개인 컴퓨터, 스마트폰, 서버 컴퓨터, 고성능 컴퓨터 등 모두 구조는 동일합니다.

연산을 위한 CPU (스마트폰에서는 AP. 어플리케이션 프로세서라고 부르죠) , 연산 과정에 대한 버퍼 형태의 임시 저장장치인 CPU 캐시 및 RAM, 영구적으로 데이터 저장을 위한 스토리지와 볼륨.

당연히 성능이 무한히 좋아지면 좋습니다. 기존 컴퓨터의 회로 성능을 올리기 위해, 더 작게 만들고, 밀집도를 높이죠. 그게 흔히 말하는 5나노, 3나노 크기의 칩들입니다.

하지만 물리적인 한계를 벗어날 순 없습니다. 기존 컴퓨터들에게도 발열이라는 것이 존재하고, 이를 식히기 위해 쿨러와 팬이 존재하죠. 데이터센터 & IDC 에서도 온도 유지를 위해 사시사철 공조기와 에어컨이 돌아갑니다.

재밌게도 발열이 무한정 커지면, 액체질소를 들이부으면 되지만.. 미세한 기계들에 액체질소를 진짜 들이부을 순 없습니다.

 

d. 양자 컴퓨터의 아키텍처

양자컴퓨터만 있는 단독 아키텍처는 아직은 없습니다. 왜냐하면 결과 측정 과정은 고전 컴퓨터를 통해서 이뤄지거든요.

양자 상태에 있고 그 연산을 하는 구조는 양자 컴퓨터 구조이지만, 우리가 눈으로 들여다 보는 인터페이스는 고전 컴퓨터를 통해 이뤄집니다.

이후 살펴볼, 애저 퀀텀의 Q# 또한 파이썬 언어와 Q#이 혼재되어 있는데, 이 런타임에서 양자 컴퓨터 아키텍처를 간단하게 살펴볼 수 있습니다.