양자 컴퓨터

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양자 컴퓨터의 기초가 되는 큐비트를 그림으로 나타내기 위한 블로크 구 모형

양자 컴퓨터(quantum computer)는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 자료를 처리하는 계산 기계이다. 고전적인(전통적인) 컴퓨터에서 자료의 양은 비트로 측정된다. 양자 컴퓨터에서 자료는 큐비트로 측정된다. 양자 계산의 기본적인 원칙은 입자의 양자적 특성이 자료를 나타내고 구조화할 수 있다는 것과 양자적 메카니즘이 고안되어 이러한 자료들에 대한 연산을 수행할 수 있도록 만들어질 수 있다는 것에 기한다.

양자 컴퓨팅이 여전히 유아기에 있지만, 매우 작은 수의 큐비트을 가지고 양자 수치 계산이 수행되는지에 관한 실험들이 행해져 왔다.

양자 컴퓨팅과 계산 복잡도 이론[편집]

BQP와 다른 문제 공간의 관계 추정 도식[1]

이 절에서는 양자 컴퓨터의 능력에 대해 현재 알려진 수학적인 결과를 조사한다. 이 결과는 양자 컴퓨터와 관계된 계산 복잡도 이론계산 이론에서 나온 것이다.

양자 컴퓨터가 효율적으로 풀 수 있는 문제군을 BQP라 한다. 여기서 효율적이란, "정해진 오차범위 내에서 다항 시간 안에" 푼다는 뜻이다. 양자 컴퓨터는 확률적 알고리즘을 실행할 뿐이므로 양자 컴퓨터에 대한 BQP는 기존 컴퓨터에 대한 BPP에 대응한다. BPP는 오차 확률을 1/4로 제한하며 다항 시간에 풀 수 있는 문제의 집합으로 정의된다.[2] 양자 컴퓨터가 문제를 "푼다"는 것은 모든 예제에 대해 높은 확률로 올바른 결과가 나온다는 뜻이다. 그 결과가 다항 시간에 나왔다면 그 문제는 BQP에 속한다.

BQP는 NP-완전과 서로소 집합이고, P가 BQP의 진부분집합일 것으로 추정되나 아직 증명되지는 않았다. 소인수분해이산 로그 문제가 BQP에 속한다. 두 문제 모두 NP문제이고, BPP가 아닐 것으로 추정되므로 P에도 속하지 않는다. 또한 NP-완전도 아닐 것으로 추정된다. 양자 컴퓨터가 NP-완전 문제를 다항 시간에 풀 수 있다는 잘못된 인식이 널리 퍼져 있으나 확실히 증명된 바는 없다. 양자 컴퓨터도 NP-완전 문제는 다항 시간에 풀 수 없다는 견해가 일반적이다.

양자 컴퓨터의 연산자는 벡터에 특정한 행렬을 곱해서 바꾸는 것으로 생각할 수 있다. 행렬을 곱하는 연산은 선형 연산이다. 대니얼 S. 에이브럼스와 세트 로이드는 양자 컴퓨터가 비선형 연산자로 설계될 수 있다면 NP-완전 문제를 다항 시간에 풀 수 있음을 보였다. #P-완전 문제 역시 가능하다. 그러나 그러한 기계는 불가능하다고 보았다.

양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터보다 빠를 수는 있지만, 기존 컴퓨터로 풀 수 없는 문제는 양자 컴퓨터 역시 풀 수 없다. 충분한 시간과 메모리가 주어지더라도 마찬가지이다. 튜링 기계가 양자 컴퓨터를 시뮬레이트할 수 있기 때문에 양자 컴퓨터가 정지 문제 같은 결정 불가능 문제를 풀 수는 없다. "표준" 양자 컴퓨터의 존재가 처치-튜링 명제를 반증하지는 않는다. [3]

최근에 수많은 연구자들이 양자 역학을 하이퍼 계산에 사용할 수 있는지를 연구하기 시작하였다. 즉, 결정 불가능 문제를 풀 수 있을지를 연구하는 것이다. 그러한 주장은 이론적으로도 가능하지 않을 것으로 보는 회의적인 견해가 많다.

상용화[편집]

2011년 5월 11일, 캐나다의 D-Wave Systems에서 128큐비트 프로세스가 장착된 세계최초의 상용화 양자컴퓨터인 D-Wave One을 내놓았으며[4], 5월 20일 1000만 달러의 가격으로 시장에 내놓았다.

D-Wave One 은 범용 양자 컴퓨터는 아니며, Quantum Annealing[5] 이라는 특정한 양자 알고리즘에 특화된 하드웨어를 갖고 있다.

2013년 NASA와 구글이 공동으로 설립할 인공지능 연구소에서 D-Wave 2를 구매할 계획이라고 밝혔다.[6]

참고[편집]

주석[편집]

  1. Michael Nielsen and Isaac Chuang (2000). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0-521-63503-9.
  2. (Nielsen & Chuang 2000)
  3. Nielsen, Michael and Isaac Chuang (2000), p. ?
  4. D-Wave Systems. "Learning to program the D-Wave One".
  5. (영어) M. W. Johnson 외 25명 (2011년 5월 12일). Quantum annealing with manufactured spins. Nature.
  6. NASA-구글, 양자 컴퓨터 기반 인공지능 연구 착수. 한국정보화진흥원 (2013년 5월 16일).