양자컴퓨터의 내부에서는 무슨 일이 일어나고 있을까?

양자컴퓨터는 양자역학을 계산에 이용하여 기존의 컴퓨터(기존의 컴퓨터)에서는 불가능한 대규모 계산을 실현할 것으로 기대되고 있는 컴퓨터입니다. 양자컴퓨터의 기능의 일부를 과학미디어 Physics Today가 설명합니다.

What’s under the hood of a quantum computer?
https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.1.20210305a/full/

What’s under the hood of a quantum computer?

Welcome to Quantum Native Dojo! — Quantum Native Dojo ドキュメント
https://dojo.qulacs.org/ja/latest/index.html

양자컴퓨터는 '0' 또는 '1' 상태의 비트를 사용한 기존의 컴퓨터와는 달리 '0'과 '1' 모두의 상태를 취할 수 있는 양자정보의 최소 단위 '큐비트'를 이용하여 계산하는 컴퓨터입니다. 고전물리학에서는 '0'과 '1' 중 하나가 확실히 정해져 있는 반면, 양자상태는 관측에 의해 '0' 또는 '1'이 확률적으로 정해지는 것이며, 양자컴퓨터는 이 애매모호한 중첩상태를 사용하여 복잡한 정보를 표현합니다.

큐비트를 실현하는 컴퓨터의 일례로 '이온트랩형 양자컴퓨터'를 들 수 있습니다. 이온트랩형 양자컴퓨터는 전자기장을 이용하여 이온을 공간 안에 가두어, 양자비트를 입자의 안정된 전자상태로 저장하는 것입니다. 이온트랩형 양자컴퓨터는 현재 알려진 것 중에서는 가장 높은 정밀도로 연산을 할 수 있는 양자컴퓨터입니다.

by IBM Research. https://www.flickr.com/photos/ibm_research_zurich/32390815144/

그러나 양자컴퓨터는 '오류가 발생하기 쉽다'는 문제가 있습니다. 열, 진동, 전자파, 자기장 등의 모든 종류의 환경 요인에 의해 양자비트가 의도한 상태에서 이탈해버릴 가능성이 있습니다. 이 정보열화는 'decoherence'라고 불리는데, 열과 흔들림을 줄이기 위해 컴퓨터를 저온에 두고 있는 상태에서도 순식간에 발생할 수 있습니다.

정보열화 등에서 발생한 오류를 수정하는 방법이 '양자 오류정정'입니다. 기존의 컴퓨터에 사용되는 오류정정을 양자컴퓨터에서도 실시하는 것인데, 멀티 비트의 복잡한 계산을 할 때는 양자 오류정정이 필수입니다.

또한 기존의 컴퓨터에서 실행하는 작업의 상위명령을 받은 컴파일러가 명령을 기초인 하드웨어에서 수행할 연산으로 변환하는데, 양자컴퓨터에서도 같은 작업이 이루어집니다. 이것은 '트랜스 파일러'라는 구조이며 양자비트끼리의 연결을 고려하면서 일련의 논리연산을 어떻게 실행할지 결정합니다. 큐비트를 물리적으로 재배치하는 것은 어렵지만, 두 개의 큐비트의 상태를 교환함으로써 효율적인 재배치를 실시하고 있습니다.

양자컴퓨터에 대한 다양한 연구가 진행되고 있지만, 아직도 복잡하고 구축도 쉽지 않습니다. 하지만 현재 Amazon과 Microsoft 등이 양자컴퓨터에 대한 액세스를 제공하고 있으며, 양자컴퓨터의 활약의 폭이 점점 확산될 것으로 기대되고 있습니다.