양자 우위란 무엇입니까? 그리고 왜 중요한가요?

양자 시스템의 개념은 1980년 러시아 수학자 유리 마닌(Yuri Manin)에 의해 처음 제안되었습니다. 하지만 1980년대 초 양자 컴퓨터의 가능성을 생각한 사람은 Richard Feynman이었습니다.

Feynmann은 양자 컴퓨터가 화학 및 물리학 문제를 해결하는 데 효과적일 것이라고 제안했습니다. 오늘날의 컴퓨터는 이진 논리를 사용하여 작업을 수행하지만 양자 역학의 규칙을 활용하면 많은 복잡한 계산 작업이 가능해질 것입니다.

2012년 미국의 이론 물리학자인 존 프레스킬(John Preskill)은 고전 컴퓨터보다 훨씬 발전된 시스템을 설명하기 위해 "양자 우위"라는 용어를 만들었습니다. 잡음이 많은 중간 규모 양자 기술의 시대를 예고합니다.

이 개요 기사에서 우리는 "양자 우위"가 어떤 차이를 만들 것인지, 기술 회사가 지금까지 달성한 ​​것이 무엇인지, 왜 그렇게 큰 거래인지 설명했습니다. 기본부터 시작하겠습니다.

양자 우위란 정확히 무엇입니까?

Quantum Supremacy는 기존 컴퓨터가 합리적인 시간 내에 해결할 수 없는 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨팅 시스템을 구축하는 것을 목표로 합니다.

여기에는 강력한 양자 기계를 개발하기 위한 엔지니어링 작업과 해당 양자 컴퓨터로 해결할 수 있는 계산 문제를 분류하기 위한 계산 복잡도 이론 작업이 포함됩니다.

양자 우위는 더 강력하고 유용한 계산을 위한 중요한 단계입니다. 양자 우월성을 입증하기 위한 여러 제안이 있었습니다. 가장 주목할만한 것은:

<울>

임의의 양자 회로의 출력 샘플링

D-Wave가 설계한 좌절된 클러스터 루프 문제

Aaronson과 Arkhipov가 소개한 Boson 샘플링 제안

양자 우위가 달성되었는지 어떻게 확신할 수 있습니까?

양자 우위를 확인하는 것은 가장 까다로운 작업 중 하나입니다. 핵폭발이나 로켓 발사가 아닌 그저 지켜보기만 하면 성공 여부를 바로 알 수 있습니다.

양자 우위를 확인하려면 다음 두 가지를 정확하게 입증해야 합니다.

<올>

양자 장치는 계산을 빠르게 수행합니다.

어떤 기존 컴퓨터도 동일한 계산을 효율적으로 수행할 수 없습니다.

두 번째 부분은 상당히 복잡합니다. 고전적인 컴퓨터는 특정 유형의 문제를 매우 효율적으로 수행할 수 있음이 밝혀졌습니다(과학자의 기대보다 더 좋음). 고전적인 컴퓨터가 특정 작업을 효과적으로 수행할 수 없다는 것이 증명될 때까지는 항상 더 효율적이고 더 나은 고전적 알고리즘이 존재할 가능성이 있습니다. 세상에 그런 고전적인 알고리즘이 없다는 것을 증명하는 것은 논란의 여지가 있을 수 있고 많은 시간이 걸릴 수 있습니다.

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양자 컴퓨터를 만들기 위한 전투

몇 년 동안 작동하는 양자 장치가 있었지만 특정 조건에서만 기존 컴퓨터를 능가합니다. 이러한 양자 기계가 수행하는 대부분의 작업은 일상 생활에서도 유용하지 않습니다.

2016년 Google은 9큐비트 양자 칩을 사용하여 완전히 확장 가능한 수소 분자 양자 시뮬레이션을 개발했습니다. 2017년 Intel은 양자 컴퓨팅을 위한 17큐비트 초전도 테스트 칩을 제조했으며 IBM은 90마이크로초 동안 양자 상태를 유지할 수 있는 50큐비트 칩으로 기준을 높였습니다.

Intel에서 개발한 17큐비트 초전도 테스트 칩

2018년 Google은 Bristlecone이라는 72큐비트 프로세서를 공개했으며 2019년 IBM은 세계 최초의 상용 회로 기반 양자 컴퓨터인 IBM Q System One을 출시했습니다.

자금이 넉넉한 캐나다 양자 컴퓨팅 회사인 D-Wave Systems는 예외로 남아 있습니다. 2015년에는 1000큐비트가 넘는 2X 양자 컴퓨터가 NASA의 양자 인공 지능 연구소에 설치되었습니다. 이 회사는 2048큐비트의 서브시퀀스 출하 시스템을 보유하고 있습니다. 그들의 장치는 양자 어닐링이라는 대체 기술에 의존하여 매우 특정한 문제를 해결합니다.

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Google의 주요 발표

갑자기 2019년 말까지 Google 연구원은 양자 우위를 달성했다고 발표했습니다. 그들은 200초 만에 목표 계산(임의 샘플링 계산)을 수행하는 Sycamore라는 54큐비트 프로세서를 개발했습니다.

연구팀에 따르면 고전적인 슈퍼컴퓨터는 동일한 계산을 수행하는 데 10,000년이 걸릴 것입니다. 이러한 속도의 상당한 증가(고전적인 알고리즘에 비해)는 이 특정 작업에 대한 양자 우위의 실험적 실현입니다.

그들은 무엇을 했는가?

양자 우위를 입증하기 위해 Google은 "무작위 회로 샘플링"이라는 특정 문제를 해결하기로 결정했습니다. 이 문제의 간단한 예는 공정한 주사위 굴림을 시뮬레이션하는 프로그램입니다.

가능한 모든 결과에서 적절하게 샘플링하면 프로그램이 정확하게 실행됩니다. 이것은 프로그램이 반복적으로 실행될 때 1/6 시간의 주사위에서 각 숫자를 생성해야 함을 의미합니다.

실제 시나리오에서 컴퓨터는 다이를 배치하는 대신 무작위 양자 회로의 가능한 모든 출력에서 ​​적절하게 샘플링해야 합니다. 이 일련의 작업은 여러 큐비트에서 수행됩니다. 큐비트가 회로를 통과하면 상태가 얽히게 됩니다(양자 중첩이라고도 함).

예를 들어 회로가 54큐비트에서 작동하면 54큐비트가 2 ⁵⁴ 의 중첩이 됩니다. 회로의 끝에서 가능한 상태. 이는 2 ⁵⁴ 세트를 의미합니다. 가능성은 54비트의 하나의 문자열로 축소됩니다. 주사위를 굴리는 것과 같지만 6개의 가능한 결과 대신 2 ⁵⁴ 를 얻습니다. 모든 결과가 동일하게 발생할 가능성은 없습니다.

이 무작위 회로의 일련의 샘플(적절한 분포를 따름)은 양자 컴퓨터에서 효율적으로 생성될 수 있습니다. 그러나 최첨단 슈퍼컴퓨터에서 이러한 샘플을 생성하기 위한 고전적인 알고리즘은 없습니다. 따라서 샘플 수가 증가할수록 디지털 슈퍼컴퓨터는 빠르게 계산에 압도됩니다.

이 실험에서 Google 연구원은 게이트 사이클(양자 논리 게이트)의 수를 일정하게 유지하면서 12~53큐비트에서 임의의 단순화된 회로를 실행했습니다. 그런 다음 그들은 고전적인 시뮬레이션을 사용하여 양자 컴퓨터의 성능을 확인하고 이론적인 모델과 비교했습니다.

시스템이 올바르게 작동하고 있음을 확인한 후 클래식 시뮬레이션이 작동하지 않는 지점에 도달할 때까지 53큐비트 및 증가된 게이트 주기로 임의의 하드 회로를 실행했습니다.

양자 우위를 입증하는 과정 | 크레딧:Google

실험은 완전히 프로그래밍 가능한 54큐비트 칩인 Sycamore에서 수행되었습니다. 여기에는 각 큐비트가 4개의 다른 큐비트에 연결된 2D 그리드가 포함되어 있어 큐비트 상태에 대한 충분한 연결을 가능하게 하고(따라서 프로세서 전체에서 즉시 상호 작용) 기존 컴퓨터에서 동일한 계산을 수행하는 것이 불가능하게 만듭니다.

이러한 수준의 성능을 달성하기 위해 그들은 인접한 큐비트 간의 상호 작용을 끌 수 있는 새로운 종류의 제어 손잡이를 활용하여 다중 연결 큐비트 시스템의 오류를 크게 줄였습니다. 또한 큐비트 결함을 방지하기 위해 새로운 제어 보정을 개발하고 누화를 낮추도록 칩 설계를 최적화하여 양자 칩의 성능을 더욱 향상시켰습니다.

Google은 실제로 양자 우위를 달성했습니까?

Google의 Sycamore 칩은 양자 저온 유지 장치 내부에서 냉각 상태를 유지합니다. 이미지 제공:Eric Lucero/Google

구글은 양자 우월성을 달성했고 고전적인 슈퍼컴퓨터는 동등한 작업을 수행하는 데 약 10,000년이 걸릴 것이라고 주장했지만 IBM은 동일한 작업의 이상적인 시뮬레이션이 고전적인 컴퓨터에서 2.5일 만에 수행될 수 있다고 말하며 이 주장에 이의를 제기했습니다. 충실도가 높아집니다.

Google의 실험은 양자 장치가 기존 컴퓨터보다 '최고'라는 증거로 간주되어서는 안 됩니다. 그러나 53큐비트 시스템에서 최첨단 게이트 충실도를 공개하면서 초전도 기반 양자 컴퓨팅의 발전을 완벽하게 보여줍니다.

'양자 우위 달성'의 일부 변형이 포함된 헤드라인은 눈길을 사로잡고 흥미롭게 읽을 수 있지만 일반 대중을 완전히 오도합니다.

양자 우위의 정의에 따르면 목표는 달성되지 않았습니다. 그리고 가까운 장래에 누군가가 그것을 시연하더라도 양자 컴퓨터는 결코 고전 컴퓨터를 '최고'로 지배하지 않을 것입니다. 대신 양자 시스템은 각각 고유한 강점과 이점이 있기 때문에 고전적인 슈퍼컴퓨터와 함께 작동합니다.

네이밍 논란

일부 과학자들은 '양자 우월주의'라는 용어에 동의하지 않습니다. 그들의 관점에서 '우월주의'라는 단어는 '백인 우월주의'와의 연관성을 통해 폭력, 신식민주의, 인종주의의 함축을 내포하고 있습니다. 이점'을 대신 사용해야 합니다.

그러나 이 표현을 고안한 존 프레킬은 양자법칙에 기반한 정보기술이 만연한 역사상 가장 특권적인 시기임을 강조하고 싶다고 밝혔다. 그는 또한 "양자 우위"가 자신이 전달하려는 요점을 가장 잘 포착했다고 설명했습니다. 'advantage'와 같은 다른 단어에는 '우월함'의 펀치가 부족합니다.

응용 프로그램 및 미래

최근 양자 컴퓨팅의 발전은 완전히 새로운 세대의 컴퓨터 과학자와 물리학자들에게 영감을 주어 정보 기술의 측면을 근본적으로 변화시켰습니다.

현재 과학자들은 실시간으로 계산 오류를 수정하여 오류 없는 양자 계산을 가능하게 하는 내결함성 양자 기계를 연구하고 있습니다. 양자 컴퓨팅의 현재 기술 상태를 고려할 때 이 목표는 실현되기까지 몇 년이 걸립니다.

기술 회사는 가능한 한 빨리 내결함성 양자 장치를 개발하기 위해 수억 달러를 투자하고 있습니다. 그러나 중요한 문제는 양자 기계가 유용한 작업을 수행하기 전에 내결함성이 있어야 하는지 여부입니다.

이러한 기계는 다양한 가치 있는 응용 프로그램을 약속합니다. 예를 들어, 양자 컴퓨팅은 일기 예보를 개선하고, 사이버 보안을 강화하며, 비행기 및 차량의 경량 배터리를 위한 새로운 재료를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 개별 분자를 정확하게 매핑할 수 있으며, 이는 잠재적으로 제약 연구의 기회를 열 수 있습니다.

은행 부문에도 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 양자 컴퓨팅은 최적의 기준을 파악하거나 사기 거래를 식별하기 위해 방대한 포트폴리오 조합을 분석하는 것과 관련된 투자 전략 최적화와 관련된 재정 문제를 처리할 수 있습니다.

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현재로서는 매우 제한된 작업 집합에서 테스트되었기 때문에 어떤 산업 양자 컴퓨팅이 가장 큰 영향을 미칠지 예측하기 어렵습니다. 양자 시대의 완전한 아름다움을 감상하려면 몇 년(또는 수십 년) 동안 인내해야 합니다.