양자컴퓨터 (Quantum Computer) - 3

지난 시간까지는 양자컴퓨터의 응용에 대해서 알아보았는데요. 오늘은 양자컴퓨터를 구성하고 있는 요소에 대해서 알아보겠습니다.

 

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양자컴퓨터는 (1) 연산 장치, (2) 입출력 제어 장치, (3) 소프트웨어, 이렇게 크게 3가지로 구성됩니다. 물론 필요에 따라서는 초전도 양자컴퓨터에 사용되는 냉각 장치와 같은 (4) 보조장치를 필요로 하기도 합니다. 기존 컴퓨터로 따지자면, 연산장치는 컴퓨터의 CPU(Central Processing Unit) 혹은 GPU(Graphic Processing Unit)에 해당된다고 보시면 되구요. 입출력 제어 장치는 키보드, 마우스, 디스플레이(Display), 및 이와 관련된 모든 전자 회로 및 배선들에 해당된다고 보시면 됩니다. 마지막으로 소프트웨어는 여러가지 프로그램(크롬, 워드, 파워포인트, 게임 프로그램, 등등..)과 관련있다고 보시면 됩니다.

 

 

Source: D-WAVE

 

 

이러한 구성품 중에서 연산 능력에 가장 중요한 부분이 바로 (1) 연산 장치 입니다. 즉 일반 컴퓨터로 치면 CPU에 해당하는 장치의 성능이 좋아야 양자컴퓨터의 상용화 가능성이 높아진다고 보시면 됩니다. 이러한 연산 장치를 양자 연산 장치, 즉 QPU(Quantum Processing Unit)이라 부릅니다.

 

CPU 및 GPU 안에는 다양한 회로들이 들어가지만, 정보를 저장하거나 처리할 수 있는 가장 기본이 되는 구성 요소는 트랜지스터(Transistor) 입니다. 하나의 실리콘 트랜지스터를 약 5V에 해당되는 외부의 전기적 신호를 ON/OFF함으로써 전류가 흐르거나 흐르지 않게 제어합니다. 이러한 상태를 2진법 기반의 디지털 상태인 <0>과 <1>로 정의합니다. 이를 우리는 비트(Bit)라고 부릅니다.

 

마찬가지로 QPU도 트랜지스터로 만들 수 있는 비트에 대응되는 기본 구성 요소가 있는데, 이를 양자 비트(Quantum Bit), 혹은 줄여서 큐비트(Qubit 혹은 Qbit)라고 부릅니다. 이 큐비트가 바로 양자컴퓨터의 연산 장치의 핵심 기본 장치가 됩니다. 

 

 

Source: D-WAVE

 

 

 

양자컴퓨터의 큐비트는 다양한 방식으로 개발되고 있습니다. 기존 반도체의 주요 소재인 실리콘(Silicon), 게르마늄(Germanium)혹은 갈륨비소(Gallium Arsenide) 등에 전기장을 걸어주어 양자점(Quantum Dot)을 만들어서 하나의 큐비트로 활용하기도 하구요. 다이아몬드와 같은 아주 안정적인 물질에 존재하는 결함(Defect)을 하나의 큐비트로 이용하기도 합니다. 또한 수소와 비슷한 전자구조를 가지는 원자(Rydburg Atom), 혹은 이온(Ion)을 전기장으로 트랩(Trap)시켜서 큐비트로 활용하기도 합니다. 편광된 빛의 방향을 큐비트로 활용하기도 하구요. 가장 일반적으로 연구되고 있는 초전도체의 전하(Charge), 자기선속(Magnetic Flux), 위상(Phase) 등이 양자화 되는 특성을 이용하여 큐비트로 활용하기도 합니다. 이처럼 다양한 소재 및 기술들을 큐비트로 활용하기 위한 연구가 진행되고 있습니다.

 

 

입출력 장치도 이러한 큐비트의 종류에 따라 크게 달라지는데요. 실리콘 반도체의 비트를 0 혹은 1로 제어하기 위해서 전압을 가해주는 것 처럼, 큐비트의 상태를 0, 1 또는 그 중첩상태로 만들어주기 위해서 다양한 방법을 이용하고 있습니다. 가시광선, 적외선, 마이크로파 및 라디오 전파 등의 빛(전자기파)을 이용하기도 하구요, 전기장, 자기장, 등을 이용하기도 합니다. 입출력 장치들은 이러한 신호들이 잡음(Noise)에 방해되지 않고 정확한 신호 전달이 될 수 있도록 복잡한 회로 및 기술들이 적용되어 큐비트와 주변 장치들을 연결합니다. 여기에는 일반적으로 양자컴퓨터를 제어하기 위한 외부장치로 일반 컴퓨터도 사용이 됩니다. 여기에는 더 높은 정밀도의 양자 연산을 위한 보조장치들도 포함될 수 있습니다.

 

 

소프트웨어 장치는 우리가 일반적으로 알고있는 소프트웨어와 동일합니다. 양자컴퓨터 연산의 목적에 따라 다양하게 개발되고 있는데요. 예를 들면 특정 연산(암호 해독, 시뮬레이션, 기상 예측 등.)을 위한 연산 알고리즘이 소프트웨어에 해당된다고 보시면 됩니다. IBM과 같은 여러 회사들이 클라우드 기반의 양자컴퓨터 플랫폼을 제공하고 있는데요, 이는 양자컴퓨터 시장의 활성화를 위해 연구자들에게 무료로 서비스를 제공하고 있는 것 입니다.