양자물리는 이해할 수 없다.
이걸 기억하고 시작하기
양자물리는 들어도 이해할 수 없다.
사과 맛을 아무리 설명해도, 사과를 맛보지 않고서는 맛을 알 수 없다.
양자물리도 이와 비슷하다.
거시 세계에서는 양자 물리로 작동하지 않기 때문에,
일상 생활에서 양자물리에 경험이 없다.
그래서 우리는 양자물리를 기억할 수 있지만, 이해할 수 없다.
핵심
이 세상은 모두 입자인 동시에 파동이다.
양자: 불연속적으로 변화하는 양의 기본 값
광자: 양자화된 빛 덩어리(광양자)
파동
입자는 물체이다.
파동은 현상이다.
파동함수: 파동을 나타내는 함수, 프사이로 표헌
파동은 중첩될 수 있다.
피아노 도, 레, 미 건반을 동시에 누르는 걸 상상
근데 입자가 파동의 성질을 지닌다면,
입자도 중첩이 된다는건데..?
물체의 상태는 일반적으로 중첩되어 있다.
중첩
물체의 상태는 중첩되어 있지만 측정하면 중첩이 사라진다.
이걸 '붕괴'라고 표현
고유상태: 측정 후 나타날 수 있는 상태
중첩된 상태는 고유상태들이 중첩된 것
근데 이걸 측정하면 고유상태 중 하나로 붕괴함.
양자 세계의 물체들은 고유상태이거나 중첩상태임.
그럼 붕괴될 때 어떤 고유상태로 정해지나?
완전 랜덤임.
근데 각 고유상태마다 확률은 다를 수 있음.
이 확률은 처음 준비 과정에 달림.
여러 개의 물질파가 중첩되어 있으면,
각 고유상태에 해당하는 물질파의 진폭의 제곱에 비례해서 측정될 확률이 정해진다.
이미 측정된 상태는 에너지가 바닥 상태임.
이때 새로 들뜬 상태가 될 수 없으므로, 다시 측정해서 이미 결정된 고유상태로 측정되어야 함.
불확정성의 원리
중첩상태를 측정했을 때 어떤 고유상태가 나타날지 예측할 수 없다.
얽힘
두 개의 입자가 독립적이지 않고 상대의 측정 결과에 영향을 밝을 때
양자 컴퓨팅이 고전 컴퓨팅보다 빠른 이유는 중첩에 의한 현상 중 얽힘을 활용하기 때문
얽힘에 의한 붕괴가 정보 전달이 아닌 이유는, 나도 어떤 정보가 관측될지 모르기 때문에.
즉, 정보를 보낸다는 건 내가 원한느 정보를 보내야 의미가 있는 건데,
얽힘의 붕괴는 단순히 랜덤하게 정보가 결정되는 것 뿐임.
게이트
고전 컴퓨터에서는 NAND 게이트로 모든 연산 구현 가능
양자 컴퓨터에서는 회전 연산과 CNOT 게이트로 모든 연산 구현 가능
양자역학 연산은 모두 가역적이다. 그래서 입력신호와 출력신호 수가 같다.
중첩
중첩 상태에서 연산이 가해지면,
각각의 고유 상태에 각각의 연산이 가해지고,
이 결과가 중첩되는 것과 같다.
CNOT으로 얽힘을 걸거나, 얽힘을 풀 수도 있다.
양자컴퓨터 소프트웨어
중첩 상태에서 연산을 한다는 건, 각각의 상태가 순차적으로 연산이 되는 게 아니라
동시에 된다는 것
그래서 속도 상의 이점이 있다.
예를 들어 1024까지 수에서 7을 찾아야 한다고 가정해 보자.
고전 컴퓨터는 1부터 순차적으로 모두 검색해야 한다.
근데 양자 컴퓨터는 10개의 큐비트로 1 ~ 1024을 중첩 상태로 만든다.
그리고 단 한번의 연산으로 7을 튀어나오게 한다.
그럼 7을 찾을 수 있다.
오라클
오라클 조금 이해함!
그니까 예를 들어 제어비트 0 1에 해당하는 표적 비트를 찾아야 한다면,
여기에 CCNOT 게이트를 걸어주면 0 1에 얽힌 비트를 반전시키면 됨.
그럼 0 1에 해당하는 값을 한 번의 연산으로 찾을 수 있는 것
그 다음 뒤집혔다면 0을 기준으로 다시 반전시키는 게 아니라,
전체 평균값을 기준으로 반전 시킨다.
그럼 나머지 애들은 거의 변화가 없는데, 첫 번째 연산에서 반전된 값은 크게 변화한다.
1/2을 기준으로 보면 나머지 값은 0이 됨.
중첩 상태의 상태는 순서가 있는 게 아니다!
양자 데이터베이스
이건 일회용임.
왜냐면 여러 값이 중첩되어 있다가, 관측하는순간 하나로 붕괴함.
양자암호통신
도청은 송신자의 메시지를 가로채서 메시지를 해독한 후,
가로챈 메시지를 다시 수신자에게 보내면 들키지 않을 수 있음.
양자암호통신은 이러한 방식을 막는 것.
오류 보정
1큐빗의 오류 보정을 위해 4큐빗이 필요
그래서 5개의 물리큐빗을 1개의 논리큐빗으로 취급
즉, 50큐빗 CPU는 논리적으로 10큐빗 CPU임
이 수가 정해진 건 아님. 필요한 오류 보정 큐빗은 오류 유형 등에 따라 달라짐.
양자 부피
양자 컴퓨터가 성공적으로 실행할 수 있는 가장 큰 양자 회로의 복잡도
큐빗에 연산을 곱한 것.
예를 들어 5큐빗에 12 연산을 한다면 양자 부피는 60
(기계적으로 곱하는 건 아님, 실제로는 성공적인 연산을 정밀하게 찾고, 다른 요소도 고려함.
상대적인 성능 비교 수치로 보는 것이 타당)
여기서 연산은 큐빗의 연산 가능 횟수며
단순 개수가 아니라 양자 부피로 양자 컴퓨터 성능을 비교할 수 있다.
양자 내성 암호
사실 간단함.
비밀번호 길이가 8자리면 고전 컴퓨터로 2천년, 양자 컴퓨터로 4년이 걸림.
이걸 16자리로 늘리면 양자 컴퓨터로도 2천년 걸림.
근데 문제는 16자리 입력하는 게 짜증나고,
기존 시스템 암호 입력 체계도 바꿔야 한다는 것.
암호를 암호화하고 검증하는 시간도 2배로 늘어나기도 함.
그래서 소인수분해 기반 알고리즘은 양자 컴퓨터에서는 무용지물
그래서 지금은 미국에서 공모했고, 70개 중 4개로 압축됨.
격자기반 암호체계가 될 것으로 예상
양자 내성 암호가 필요한 이유
이미 해커들은 암호화된 데이터를 수집하고 있음.
(Store Now, Decrypt Later = SNDL)
그래서 지금부터 중요 데이터를 양자 암호화 해놓는 작업이 필요한 것
양자 데이터
양자적으로 검색하려면 양자 데이터가 필요.
즉, 중첩 상태의 데이터가 필요.
이걸 만드는 것 자체가 오랜 시간이 걸림.
양자 데이터는 일회용이므로, 여러 개가 필요한데
양자역학적으로 양자 데이터를 복제가 불가능함.(관측하는 순간 붕괴)
그래서 양자데이터 생산업이 미래의 유망 산업임.
양자 컴퓨팅 미래
- 신약 개발
- 최적화 문제
- 물류 시스템 효율(경로, 탄소 저감에 영향)
- 인공지능
양자물리, 필요있어?
전자기유도 법칙을 처음 발견한 마이클 패러데이에게 질문했다.
"그래서 그걸 알면 어디에 쓸모가 있다는 거요?"
패러데이는 말했다.
"갓 태어난 아이가 커서 무슨 쓸모가 있을지 어떻게 알겠소?
현재에는 발전기가 쓰이는 장치는 모두 전자기유도 현상을 쓰고 있다.
전기로 작동하는 기기 중에 이 현상을 이용하지 않는 것은 없다.
