양자 컴퓨터에 대한 22가지 가장 흥미로운 사실
양자 컴퓨터는 이메일을 확인하거나, 상태를 업데이트하거나, 정상적인 소프트웨어/하드웨어 작업을 수행해서는 안 됩니다. 대신, 그들은 더 복잡한 것, 즉 양자 역학을 기반으로 합니다.
양자 컴퓨터는 원자 크기보다 훨씬 작은 입자를 다룹니다. 이러한 작은 규모에서는 물리 규칙이 의미가 없습니다. 여기에서 흥미로운 일이 일어나기 시작합니다. 입자는 앞뒤로 움직일 수도 있고 동시에 존재할 수도 있습니다. 이러한 유형의 컴퓨터는 오늘날의 기존 컴퓨터가 달성할 수 있는 것 이상으로 계산 능력을 향상시킬 수 있습니다.
현재 양자 컴퓨팅에 대해 알고 있는 내용을 자세히 설명하겠습니다. 우리는 당신의 마음을 구부릴 양자 컴퓨터에 대한 몇 가지 흥미로운 사실을 모았습니다.
1. 정보
저장의 기준
오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터는 일련의 0과 1의 이진 형식으로 데이터를 저장합니다. 메모리의 각 구성 요소는 비트라고 하며 부울 논리의 단계를 통해 조작할 수 있습니다.
반면에 양자 컴퓨터는 '0', '1' 또는 두 상태의 양자 중첩과 같은 데이터를 저장합니다. 이 양자 비트(큐비트라고도 함)는 이진 시스템에 비해 훨씬 더 큰 유연성을 가지고 있습니다.
큐비트는 "up"과 "down"의 두 가지 스핀 상태를 가진 입자를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이러한 시스템은 효과적인 스핀-1/2 시스템에 매핑될 수 있습니다.
2. 놀라운 속도
양자 컴퓨터의 데이터는 0과 1 이상의 상태로 존재할 수 있기 때문에 병렬로 계산을 수행할 수 있습니다. 간단한 예를 들어 보겠습니다. 큐비트가 상태 0과 상태 1의 중첩에 있고 유사한 중첩의 다른 큐비트로 계산을 수행하는 경우 0/1, 0/0, 1/0 및 1/1의 네 가지 결과가 남습니다.
양자 컴퓨터는 결맞음 상태에 있을 때 위의 결과를 표시하며, 이는 상태로 붕괴될 때까지 지속됩니다(상태가 중첩된 동안). 여러 작업을 동시에 수행할 수 있는 기능을 양자 병렬 처리라고 합니다.
3. 재정의된 보안
양자 컴퓨터의 속도는 암호화 및 암호화 분야에서도 심각한 관심사입니다. 오늘날 세계의 금융 보안 시스템은 지구의 수명 동안 문자 그대로 기존 컴퓨터로는 깨뜨릴 수 없는 많은 수(RSA 또는 DSA 알고리즘)를 인수분해하는 것을 기반으로 합니다. 그러나 양자 컴퓨터는 합리적인 시간 내에 숫자를 인수분해할 수 있습니다.
반면에 양자 컴퓨터는 깨지지 않는 보안 기능을 제공할 수 있습니다. 훨씬 더 나은 암호화로 중요한 데이터(예: 온라인 거래, 이메일 계정)를 차단할 수 있습니다.
양자 컴퓨터를 위해 많은 알고리즘이 개발되었으며, 가장 잘 알려진 알고리즘은 Grover의 알고리즘(비정형 데이터베이스 검색용)과 Shor의 알고리즘(큰 수를 인수분해하기 위한)입니다.
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4. 에너지 효율
전력 소비는 전기로 작동하는 모든 장치의 중요한 요소입니다. 매우 다양한 프로세서는 성능을 유지하기 위해 많은 양의 전원 공급 장치가 필요합니다. 예를 들어, 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터(Summit)는 13MW의 전력을 소비합니다.
그러나 양자 컴퓨터에서는 상황이 정말 흥미로워집니다. 양자 터널링을 사용하기 때문에 에너지 소비를 100배에서 1000배까지 줄일 수 있습니다.
5. 대안 현실
양자 물리학에 따르면, 우리는 다중우주(Multiverse)라고 불리는 것을 다루는데, 여기서 문제는 많은 또는 무한한 가능한 해결책을 가질 수 있습니다. 예를 들어 랩톱에서 이 기사를 읽고 있을 수 있습니다. 다른 우주에서는 여행하는 동안 휴대 전화에서 이것을 읽을 수 있습니다.
양자 컴퓨터는 'n'개의 평행 우주에서 'n'개의 작업을 수행하고 결과에 도달할 수 있습니다. 기존 컴퓨터가 'n'초 내에 'n' 계산을 수행하는 경우 양자 컴퓨터는 동일한 시간 내에 'n2' 계산을 수행할 수 있습니다.
IBM의 딥 블루(Deep Blue)가 1997년 세계 체스 챔피언 게리 카스파로프(Garry Kasparov)를 꺾은 최초의 컴퓨터였다는 것을 기억할 것입니다. 컴퓨터는 초당 200억 번의 가능한 움직임을 검사하여 이를 수행했습니다. 인간 두뇌의 능력과는 거리가 멀다! 그러나 양자 기계라면 초당 1조 개의 움직임, 4초에 2조 개의 움직임, 9초에 3조 개의 움직임을 계산했을 것입니다.
6. 양자 컴퓨터 구축이 어려운 이유
양자 컴퓨터의 문제는 안정성입니다. 간섭 (모든 종류의 진동이 원자의 진동을 방해 함)은 의미없는 출력을 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 양자 역학의 전자는 파동처럼 행동하며 파동 함수로 설명됩니다. 이러한 파동은 간섭하여 양자 입자의 이상한 거동을 일으킬 수 있으며 이를 결맞음이라고 합니다.
7. 저온
최상의 성능을 위해 안정적인 상태를 유지하는 데 필요한 온도는 매우 낮아야 합니다. 양자 컴퓨터가 작동하려면 원자가 안정적으로 유지되어야 합니다. 그리고 이러한 원자를 안정적으로 유지하는 유일한 알려진 효율적인 방법은 온도를 0 켈빈으로 낮추는 것인데, 여기서 원자는 열을 방출하지 않고 안정됩니다.
현재 D-Wave 2000Q 시스템은 가장 진보된 양자 컴퓨터입니다. 초전도 프로세서는 0.015 켈빈 (성간 공간보다 180 배 더 차갑습니다)으로 냉각됩니다.
8. 문제 해결-능력
양자 컴퓨터는 고전적인 알고리즘을 실행할 수 있습니다. 그러나 효율적인 결과를 위해 본질적으로 양자로 보이는 알고리즘을 사용하거나 양자 얽힘 또는 양자 중첩과 같은 양자 컴퓨팅의 일부 기능을 사용합니다.
결정할 수 없는 클래스 문제는 양자 컴퓨팅에서 결정할 수 없는 상태로 남아 있습니다. 양자 알고리즘을 매력적으로 만드는 것은 기존 알고리즘보다 더 빠르게 문제를 해결할 수 있다는 것입니다. 예를 들어, 기존 컴퓨터에서는 30분이 걸리는 외판원 문제를 몇 초 만에 해결할 수 있습니다.
또한 양자 컴퓨터는 DNA 시퀀싱 데이터를 분석하여 먼 행성을 발견하고, 날씨를 정확하게 예측하고, 암을 조기에 발견하고, 보다 효과적인 약물을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.
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9.AI게임 변경
인공 지능은 초기 단계에 있습니다. 오늘날의 첨단 로봇은 방으로 걸어 들어가 움직이는 재료, 모양 및 신체를 인식할 수 있지만 진정으로 지능적으로 만드는 요소가 부족합니다. 양자 컴퓨터는 정보 처리 분야에서 훨씬 뛰어납니다 - 300 비트로 전체 우주를 매핑 할 수 있습니다.
양자 기계는 기계 학습 작업의 속도를 기하급수적으로 가속화하여 시간을 수십만 년에서 단 몇 초로 단축할 수 있습니다.
두 개의 큰 1제타바이트 벡터 사이의 거리를 측정하려면 GHz로 클럭되는 기존 컴퓨터는 수십만 년이 걸립니다. 반면, GHz 클럭 속도의 양자 컴퓨터(향후 구축될 경우)는 벡터가 보조 큐비트와 얽힌 후 1초만 소요됩니다.
10. 모든 일을 빨리 할 수있는 것은 아닙니다.
양자 컴퓨터는 문제를 해결하는 가장 좋은 방법을 찾지만 개인용 컴퓨터가 매일 사용하는 몇 가지 기본 수학적 원리에 의존합니다. 이것은 이미 잘 최적화 된 기본 산술을 나타냅니다.
숫자 집합을 더하는 것보다 숫자 집합을 추가하는 더 좋은 방법은 없습니다. 이러한 경우 클래식 컴퓨터는 양자 컴퓨터만큼 효과적입니다.
11. 양자 컴퓨팅의 최신 성과
뉴사우스웨일스 대학의 과학자들은 2015년에 실리콘을 사용하여 최초의 양자 논리 게이트를 개발했습니다. 같은 해 NASA는 D-Wave가 만든 15,<>만 달러 상당의 최초의 작동 양자 컴퓨터를 공개했습니다.
2016년 메릴랜드 대학의 연구원들은 최초의 재프로그래밍 가능한 양자 컴퓨터를 성공적으로 만들었습니다. 두 달 후, 바젤 대학은 결맞음에 훨씬 덜 취약한 저온에서 반도체에서 전자 정공(전자 스핀을 조작하는 대신)을 사용하는 전자 정공을 기반으로 하는 양자 기계의 변형을 지정했습니다.
2019년 Google AI는 NASA와 협력하여 양자 컴퓨팅 역사의 돌파구인 양자 우위를 달성했다고 주장하는 논문을 발표했습니다.
가스의 3D Skyrmion
12. 시스템을 사용하여 양자 기계를 시뮬레이션할 수 있습니다.
양자 컴퓨팅의 가장 중요한 응용 프로그램 중 하나는 양자 시뮬레이터입니다. 이를 통해 슈퍼컴퓨터로 모델링할 수 없고 실험실에서 연구하기 어려운 양자 시스템을 분석할 수 있습니다.
양자 시뮬레이터는 특정 물리학 문제에 대한 정보를 제공하도록 특별히 설계되었습니다. 기존 프로그래밍 가능한 '디지털' 양자 컴퓨터로 구축할 수 있어 광범위한 양자 문제를 해결할 수 있습니다.
지금까지 양자 시뮬레이터는 갇힌 이온 시스템, 극성 분자, 초저온 양자 가스, 양자점 및 초전도 회로를 포함한 다양한 실험 플랫폼에서 수행되었습니다.
13. 양자 컴퓨터를 위한 프로그래밍 언어
2020년에 연구원들은 양자 컴퓨터를 위한 이해하기 쉬운 고급 프로그래밍 언어인 Sliq를 개발했습니다.
양자 계산에서 개발자는 복잡한 코드로 이어지는 낮은 수준의 추상화, 버려야 하는 임시 값 등과 같은 여러 가지 실망스러운 문제를 처리해야 하는 경우가 많습니다.
일부 양자 언어는 이 문제를 해결하려고 하지만 비교적 복잡한 방식으로 작동합니다. 반면 Sliq는 직관적인 의미 체계를 가능하게 하는 안전한 자동 계산을 지원합니다.
좀 더 흥미로운사실과 발견
14. 양자 컴퓨팅은 1959년 리처드 파인만(Richard Feynman)의 유명한 강연 '배경에 많은 공간이 있다'에서 처음 언급되었습니다. 그는 개별 원자를 합성 화학의 향상된 형태로 조작 할 가능성을 고려했습니다.
15. 세계 최초의 양자 키 분배 프로토콜인 BB84는 1984년 IBM 연구원 Gillies Brassard와 Charles Bennett에 의해 개발되었습니다. 일회성 패드 암호화에 사용하기 위해 한 지점에서 다른 지점으로 개인 키를 안전하게 보내는 기술입니다.
16. 2018년 2월 물리학자들은 비선형 양자 매질에서 3광자 결합 상태를 포함하는 새로운 형태의 빛을 만들어 양자 컴퓨팅 혁명을 주도할 수 있었습니다.
17. 2018년 3월, 대학 우주 연구 협회, NASA 및 Google이 운영하는 Quantum Artificial Intelligence Lab은 Bristlecone이라는 72큐비트 프로세서를 출시했습니다.
18. 양자 컴퓨팅의 현실적인 모델은 양자 알고리즘에서 실행되며, 양자 알고리즘은 해결하는 문제 유형 또는 사용하는 기술/아이디어에 따라 분류할 수 있습니다. 우리는 현재 진폭 증폭, 양자 푸리에 변환 및 하이브리드 양자 알고리즘을 기반으로 하는 알고리즘을 보유하고 있습니다.
19. 양자 기계를 물리적으로 구현하기 위해 여러 후보를 찾고 있습니다. 그 중 가장 인기 있는 것은 –
• 초전도 및 포획 이온 양자 컴퓨터
• 스핀과 공간을 기반으로 한 퀀텀닷
• 다이아몬드 기반 양자 컴퓨터
• 양자 공동 전기 역학
• 분자 자석
20. 양자 상태로 인코딩된 데이터는 복사할 수 없습니다. 이 데이터를 읽으려고 하면 양자 상태가 변경됩니다. 이 기능은 양자 키 배포에 대한 스파이를 식별하는 데 사용할 수 있습니다.
21. 지금까지 Google(Bristlecone), IBM(IBM Experience and Q), Intel(Tangle Lake), Rigetti(19Q), D-Wave(Ranier) 등 5개 회사가 양자 칩을 제조했습니다.
참고: 새로운 컴퓨팅 패러다임을 도입하는 5가지 양자 프로세서
22. 2020 년 로스 앤젤레스 캘리포니아 대학의 연구팀은 오류없는 양자 컴퓨터 내에서 양자 비트를 준비하고 측정하는 새로운 기록을 세웠습니다. 보다 구체적으로, 그들은 0.03%의 준비 및 측정 오류율을 달성했습니다. 이것은 양자 정보 과학의 거의 모든 영역에 영향을 미칠 것입니다.
출처:redemptionproject.news
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