22 양자 컴퓨터에 대한 가장 흥미로운 사실 ​​| 2021년판

Quantum 컴퓨터는 이메일을 확인하거나 상태를 업데이트하거나 일반적인 소프트웨어/하드웨어 작업을 수행하지 않습니다. 대신 양자 역학(Quantum Mechanics)이라는 더 복잡한 것을 기반으로 합니다.

양자 컴퓨터는 원자보다 훨씬 작은 입자를 다룬다. 그런 작은 규모에서는 물리 법칙이 의미가 없습니다. 여기에서 흥미로운 일이 일어나기 시작합니다. 입자는 앞뒤로 움직일 수도 있고 동시에 존재할 수도 있습니다. 이러한 유형의 컴퓨터는 오늘날의 기존 컴퓨터로 달성할 수 있는 것 이상으로 계산 능력을 높일 수 있습니다.

현재 우리가 양자 컴퓨팅에 대해 알고 있는 것을 자세히 설명하겠습니다. 우리는 당신의 마음을 사로잡을 양자 컴퓨터에 대한 몇 가지 흥미로운 사실을 모았습니다.

1. 정보 저장 패턴

오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터는 일련의 0과 1'의 이진 형식으로 데이터를 저장합니다. 메모리의 각 구성 요소는 비트라고 하며 Boolean 논리 단계를 통해 조작할 수 있습니다.

반면에 양자 컴퓨터는 데이터를 '0', '1' 또는 두 상태의 양자 중첩으로 저장합니다. 이러한 양자 비트(큐비트라고도 함)는 이진 시스템에 비해 훨씬 더 큰 유연성을 가지고 있습니다.

큐비트는 "위"와 "아래"의 두 가지 스핀 상태를 가진 입자를 사용하여 구현할 수 있습니다. 이러한 시스템은 효과적인 spin-1/2 시스템에 매핑될 수 있습니다.

2. 타오르는 속도

양자 컴퓨터의 데이터는 0과 1 이상의 상태로 존재할 수 있으므로 병렬로 계산을 수행할 수 있습니다. 간단한 예를 살펴보겠습니다. 큐비트가 상태 0과 상태 1의 중첩에 있고 유사한 중첩에서 다른 큐비트로 계산을 수행하면 0/1, 0/0, 1/0 및 1/1의 네 가지 결과가 남습니다.

양자 컴퓨터는 하나의 상태로 붕괴될 때까지 (상태의 중첩에 있는 동안) 지속되는 결맞음 상태에 있을 때 위의 결과를 표시합니다. 여러 작업을 동시에 수행할 수 있는 능력을 양자 병렬 처리라고 합니다.

3. 보안 재정의

양자 컴퓨터의 속도는 암호화 및 암호화 분야에서도 심각한 문제입니다. 오늘날의 세계 금융 보안 시스템은 말 그대로 지구의 수명 내에서 기존 컴퓨터로 해독할 수 없는 많은 수(RSA 또는 DSA 알고리즘)를 기반으로 합니다. 그러나 양자 컴퓨터는 합리적인 기간 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 잠글 수 있습니다.
양자 컴퓨터용으로 많은 알고리즘이 개발되었습니다. 가장 잘 알려진 것은 Grover 알고리즘(비정형 데이터베이스 검색용)과 Shor 알고리즘(비정형 데이터베이스 검색용)입니다. 큰 수를 인수분해).

읽기:양자 컴퓨터 성능을 높이는 새로운 방법

4. 전력 효율성

전력 소비는 전기로 실행되는 모든 장치의 중요한 요소입니다. 수많은 프로세서가 성능을 유지하려면 엄청난 양의 전원 공급 장치가 필요합니다. 예를 들어, 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터(Summit)는 13MW의 전력을 소비합니다.

그러나 양자 컴퓨터에서는 상황이 매우 흥미로워집니다. 양자 터널링을 사용하기 때문에 전력 소비를 100~1000배 줄일 수 있습니다.

5. 대체 현실

양자 물리학에 따르면, 우리는 다중 우주라는 문제를 다룹니다. 여기서 문제는 가능한 솔루션이 많거나 무한할 수 있습니다. 예를 들어 노트북에서 이 기사를 읽고 있을 수 있습니다. 다른 세계에서는 여행하는 동안 모바일로 이 글을 읽을 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 'n' 평행 우주에서 'n' 작업을 수행하고 결과에 도달할 수 있습니다. 기존 컴퓨터가 'n'초 안에 'n' 계산을 수행한다면 양자 컴퓨터는 'n ^2' 를 수행할 수 있습니다. 같은 시간에 계산합니다.

읽기:컴퓨터 공학의 25가지 가장 큰 발명품

IBM의 Deep Blue는 1997년 세계 체스 챔피언인 Garry Kasparov를 물리친 최초의 컴퓨터였습니다. 컴퓨터는 초당 2억 개의 가능한 움직임을 검사하여 그렇게 했습니다. 인간의 두뇌 능력과는 거리가 멀다! 하지만 양자 머신이라면 초당 1조개의 움직임, 2초에 4조개의 움직임, 3초에 9조개의 움직임을 계산했을 것이다.

6. 양자 컴퓨터를 만드는 것이 어려운 이유

양자 컴퓨터의 문제는 안정성입니다. 간섭(모든 종류의 진동이 원자의 진동을 뒤집음)이 횡설수설한 출력을 생성한다는 것이 밝혀졌습니다. 양자 역학의 전자는 파동처럼 행동하며 파동 함수로 설명됩니다. 이러한 파동은 간섭을 일으켜 양자 입자의 이상한 동작을 일으킬 수 있으며, 이를 디코히어런스(decoherence)라고 합니다.

7. 차가운 온도

더 나은 성능을 위해 안정적인 상태를 유지하는 데 필요한 온도는 정말 낮아야 합니다. 양자 컴퓨터가 작동하려면 원자가 안정적으로 유지되어야 합니다. 그리고 이러한 원자를 안정적으로 유지하는 효과적인 방법 중 하나로 알려진 것은 온도를 0켈빈으로 낮추는 것입니다. 여기서 원자는 열을 방출하지 않고 안정됩니다.

현재 D-Wave 2000Q 시스템은 가장 진보된 양자 컴퓨터입니다. 초전도 프로세서는 0.015켈빈(성간 공간보다 180배 더 차가움)으로 냉각됩니다.

8. 문제 해결 능력

양자 컴퓨터는 고전 알고리즘을 실행할 수 있습니다. 그러나 효율적인 결과를 위해 본질적으로 양자처럼 보이는 알고리즘을 사용하거나 양자 얽힘 또는 양자 중첩과 같은 양자 계산의 일부 기능을 사용합니다.

결정할 수 없는 클래스 문제는 양자 컴퓨팅에서 여전히 결정할 수 없습니다. 양자 알고리즘을 매혹적으로 만드는 것은 고전 알고리즘보다 더 빠르게 문제를 해결할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 기존 컴퓨터에서는 30분이 소요되는 출장 판매원 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.

읽기:역사상 가장 위대한 컴퓨터 프로그래머 20인

9. A.I 게임 체인저

인공 지능은 시작 단계에 있습니다. 오늘날의 고급 로봇은 방에 들어가 재료, 모양 및 움직이는 물체를 인식할 수 있지만 실제로 지능적으로 만드는 요소는 부족합니다. 양자 컴퓨터는 정보 처리 분야에서 훨씬 뛰어납니다. 300비트로 전체 우주를 매핑할 수 있습니다.

양자 기계는 기계 학습 작업의 속도를 기하급수적으로 높일 수 있어 시간을 수십만 년에서 단 몇 초로 단축할 수 있습니다.

1제타바이트 크기의 두 큰 벡터 사이의 거리를 측정하려면 GHz 클록 속도의 기존 컴퓨터에서 수십만 년이 걸립니다. 반면 GHz 클록 속도 양자 컴퓨터(향후 구축된다면)는 벡터가 보조 큐비트와 얽힌 후 1초밖에 걸리지 않습니다.

10. 모든 것이 빠르게 이루어질 수 있는 것은 아닙니다.

양자 컴퓨터는 문제를 해결하는 가장 최적의 방법을 찾지만 개인용 컴퓨터가 매일 사용하는 몇 가지 기본 수학적 원리에 의존합니다. 이것은 이미 잘 최적화된 기본 산술을 나타냅니다.

숫자 집합을 더하는 것보다 더 좋은 방법은 없습니다. 이러한 경우 고전 컴퓨터는 양자 컴퓨터만큼 효과적입니다.

읽기:컴퓨터 프로그래밍 법칙의 50가지 그림자

11. 양자 컴퓨팅에 대한 최신 성과

University of New South Wales의 과학자들은 2015년에 실리콘을 사용한 최초의 양자 논리 게이트를 개발했습니다. 같은 해 NASA는 1,500만 달러 상당의 D-Wave가 만든 최초의 작동 가능한 양자 컴퓨터를 공개했습니다.

2016년, 메릴랜드 대학의 연구원들은 최초의 재프로그래밍 가능한 양자 컴퓨터를 성공적으로 만들었습니다. 2개월 후 Basel University는 낮은 온도에서 반도체의 전자 스핀을 조작하는 대신 전자 정공을 사용하는 전자-정공 기반 양자 기계의 변형을 지정했습니다. 이 양자 기계는 결맞음에 훨씬 덜 취약합니다.

2019년에 Google AI는 NASA와 협력하여 양자 컴퓨팅의 역사에서 획기적인 발전인 양자 우위를 달성했다고 주장하는 논문을 발표했습니다.

읽기:새로운 양자 입자 – 양자 가스의 3D 스커미온

12. 시스템을 사용하여 양자 기계를 시뮬레이션할 수 있음

양자 컴퓨팅의 가장 중요한 응용 프로그램 중 하나는 양자 시뮬레이터입니다. 슈퍼컴퓨터로 모델링이 불가능하고 실험실에서 연구하기 어려운 양자 시스템을 분석할 수 있습니다.

양자 시뮬레이터는 특정 물리학 문제에 대한 통찰력을 제공하도록 특별히 설계되었습니다. 그들은 광범위한 양자 문제를 해결할 수 있는 기존의 프로그래밍 가능한 '디지털' 양자 컴퓨터로 구성될 수 있습니다.

지금까지 양자 시뮬레이터는 트랩된 이온, 극성 분자, 극저온 양자 가스, 양자점 및 초전도 회로 시스템을 포함한 다양한 실험 플랫폼에서 실현되었습니다.

13. 양자 컴퓨터를 위한 프로그래밍 언어

2020년에 연구원들은 양자 컴퓨터를 위한 이해하기 쉬운 고급 프로그래밍 언어인 Sliq를 개발했습니다.

양자 계산에서 개발자는 일반적으로 코드를 복잡하게 만드는 낮은 수준의 추상화, 폐기해야 하는 임시 값 등과 같은 몇 가지 실망스러운 일을 처리해야 합니다.

일부 양자 언어는 이 문제를 해결하려고 하지만 상대적으로 복잡한 방식으로 작동합니다. 반면 Sliq는 직관적인 의미 체계를 가능하게 하는 안전한 자동 계산 해제를 지원합니다.

더 흥미로운 사실과 발견

14. 양자 컴퓨팅은 1959년 Richard Feynman이 그의 유명한 강의 '바닥에는 충분한 공간이 있습니다'에서 처음 언급되었습니다. 그는 합성 화학의 향상된 형태로 개별 원자를 조작할 수 있는 가능성을 고려했습니다.

15. 세계 최초의 양자 키 분배 프로토콜인 BB84는 1984년 IBM 연구원 Gillies Brassard와 Charles Bennett에 의해 개발되었습니다. 일회용 패드 암호화에 사용하기 위해 한 지점에서 다른 지점으로 개인 키를 안전하게 보내는 기술입니다.

16. 2018년 2월 물리학자들은 양자 컴퓨팅 혁명을 주도할 수 있는 비선형 양자 매체에서 3광자 결합 상태를 포함하는 새로운 형태의 빛을 고안했습니다.

17. 2018년 3월, 대학 우주 연구 협회(Universities Space Research Association), NASA 및 Google이 운영하는 양자 인공 지능 연구소(Quantum Artificial Intelligence Lab)는 Bristlecone이라는 72큐비트 프로세서를 출시했습니다.

18. 양자 계산의 현실적인 모델은 해결하는 문제 유형 또는 사용하는 기술/아이디어별로 분류할 수 있는 양자 알고리즘에서 실행됩니다. 현재 진폭 증폭, 양자 푸리에 변환 및 하이브리드 양자 알고리즘을 기반으로 하는 알고리즘이 있습니다.

19. 양자 기계를 물리적으로 구현하기 위해 몇 가지 다른 후보가 추구되고 있습니다. 그 중 가장 인기 있는 것은 -

<울>

초전도 및 트랩 이온 양자 컴퓨터

스핀 기반 및 공간 기반 양자점

다이아몬드 기반 양자 컴퓨터

공동 양자 전기역학

분자 자석

20. 양자 상태로 인코딩된 데이터는 복사할 수 없습니다. 이 데이터를 읽으려고 하면 양자 상태가 변경됩니다. 이 기능은 양자 키 배포에서 도청을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.

21. 지금까지 Google(Bristlecone), IBM(IBM Experience 및 Q), Intel(Tangle Lake), Rigetti(19Q), D-Wave(Ranier) 등 5개의 회사에서 양자 칩을 제조했습니다.

읽기:새로운 컴퓨팅 패러다임을 특징으로 하는 5가지 양자 프로세서

22. 2020년 로스앤젤레스 캘리포니아 대학의 연구원 팀은 오류 없이 양자 컴퓨터 내부의 양자 비트를 준비하고 측정하는 새로운 기록을 세웠습니다. 보다 구체적으로 0.03%의 준비 및 측정 오류율을 달성했습니다. 양자 정보 과학의 거의 모든 영역에 영향을 미칠 것입니다.