양자 컴퓨팅이란 무엇이며 어떻게 작동합니까?

Hadamard Gate는 양자 컴퓨팅의 기본 게이트입니다. Hadamard Gate는 큐비트를 0 또는 1의 비중첩 상태에서 중첩 상태로 이동합니다. 중첩 상태에 있는 동안 0으로 측정될 확률은 0.5입니다. 큐비트가 1로 끝날 확률도 0.5입니다.

q₀ 에 Hadamard Gate(빨간색 H로 표시)를 추가한 효과를 살펴보겠습니다. 여기서 q₀ 현재 0의 비중첩 상태에 있습니다(그림 2). Hadamard 게이트를 통과한 후 "측정 확률" 그래프는 q₀일 때 0 또는 1이 나올 확률이 50%임을 보여줍니다. 측정됩니다.

"Statevector" 그래프는 0.5 =0.707의 제곱근인 와 b의 값을 보여줍니다. 큐비트가 0과 1로 측정될 확률은 0.707 ² 입니다. =0.5이므로 q₀ 현재 중첩 상태입니다.

측정이란 무엇입니까?

중첩 상태에서 큐비트를 측정할 때 큐비트는 중첩되지 않은 상태로 점프합니다. 측정은 큐비트를 변경하고 0 또는 1의 상태로 중첩되지 않도록 합니다.

큐비트가 0 또는 1의 비중첩 상태에 있는 경우 이를 측정해도 아무 것도 변경되지 않습니다. 이 경우 큐비트는 측정했을 때 이미 100% 0 또는 1인 상태입니다.

회로에 측정 작업을 추가해 보겠습니다(그림 3). q₀ 측정 Hadamard 게이트 다음에 측정값을 c1의 비트 0(클래식 비트)으로 출력합니다.

q₀의 결과를 보려면 Hadamard Gate 이후 측정, 우리는 "ibmq_armonk라는 실제 양자 컴퓨터에서 실행되도록 회로를 보냅니다. .” 기본적으로 양자 회로는 1024번 실행됩니다. 결과(그림 4)는 시간의 약 47.4%, q₀ 측정은 0입니다. 나머지 52.6%는 1로 측정됩니다.

두 번째 실행(그림 5)은 0과 1의 다른 분포를 나타내지만 여전히 예상되는 50/50 분할에 가깝습니다.

양자 컴퓨팅의 얽힘

두 큐비트가 얽힌 상태에 있는 경우 한 큐비트의 측정은 다른 큐비트의 값을 즉시 "붕괴"합니다. 두 개의 얽힌 큐비트가 멀리 떨어져 있어도 동일한 효과가 발생합니다.

예를 살펴보겠습니다. 얽힌 두 개의 큐비트를 얽힌 상태로 만드는 양자 연산은 CNOT 게이트입니다. 이를 보여주기 위해 먼저 다른 큐비트 q₁을 추가합니다. , 기본적으로 0으로 초기화됩니다. CNOT 게이트 전에 두 큐비트가 얽혀 있지 않으므로 q₀ Hadamard 게이트로 인해 0.5의 확률로 0 또는 1이 되는 반면 q₁ "측정 확률" 그래프(그림 6)는 (q₁ , q₀ ) (0, 0) 또는 (0, 1)인 경우 50%:

그런 다음 q₀ 출력을 취하는 CNOT 게이트(파란색 점과 더하기 기호로 표시)를 추가합니다. Hadamard 게이트 및 q₁에서 입력으로. "측정 확률" 그래프는 이제 (q₁ , q₀ ) 측정 시 (0, 0) 및 50% (1, 1) (그림 7):

(0, 1) 또는 (1, 0)을 얻을 확률은 0입니다. 한 큐비트의 값을 결정하면 두 큐비트가 같아야 하기 때문에 다른 큐비트의 값을 알 수 있습니다. 이러한 상태에서 q₀ 및 q₁ 얽혀 있습니다.

실제 양자 컴퓨터에서 이것을 실행하고 어떤 일이 일어나는지 봅시다(그림 8):

우리는 '00'과 '11' 상태 사이의 50/50 분포에 가깝습니다. 또한 양자 컴퓨터의 높은 오류율로 인해 '01'과 '10'이 예기치 않게 발생하는 것을 볼 수 있습니다. 기존 컴퓨터의 오류율은 거의 존재하지 않지만 높은 오류율은 양자 컴퓨팅의 주요 과제입니다.

벨 서킷은 시작점일 뿐입니다

'얽힘' 섹션에 표시된 회로를 벨 회로라고 합니다. 기본적이지만 그 회로는 큐비트, 중첩, 얽힘 및 측정과 같은 양자 컴퓨팅의 몇 가지 기본 개념과 속성을 보여줍니다. Bell Circuit은 양자 컴퓨팅을 위한 Hello World 프로그램으로 자주 인용됩니다.

지금쯤이면 다음과 같은 많은 질문이 있을 것입니다.

• 큐비트의 중첩 상태를 물리적으로 어떻게 나타내나요?
• 큐비트를 물리적으로 어떻게 측정하며, 큐비트가 0 또는 1이 되는 이유는 무엇인가요?
• 큐빗의 공식화에서 |0>과 |1>은 정확히 무엇입니까?
• ² 를 해야 하는 이유 그리고 b ² 큐비트가 0과 1로 측정될 확률에 해당합니까?
• Hadamard 및 CNOT 게이트의 수학적 표현은 무엇입니까? 게이트가 큐비트를 중첩 및 얽힘 상태로 만드는 이유는 무엇입니까?
• 얽힘 현상을 설명할 수 있나요?

양자 컴퓨팅을 배우는 데 지름길은 없습니다. 이 분야에서는 물리학, 수학, 컴퓨터 과학을 아우르는 복잡한 주제를 다룹니다.

기술을 소개하는 좋은 책과 비디오 자습서가 풍부합니다. 이러한 리소스는 일반적으로 선형 대수학, 양자 역학, 이진 컴퓨팅과 같은 필수 개념을 다룹니다.

책과 튜토리얼 외에도 코드 예제에서 많은 것을 배울 수 있습니다. 예를 들어, 금융 포트폴리오 최적화 및 차량 라우팅에 대한 솔루션은 양자 컴퓨팅에 대해 배우기 위한 훌륭한 출발점입니다.

컴퓨터 진화의 다음 단계

양자 컴퓨터는 가장 발전된 슈퍼컴퓨터도 능가할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 양자 컴퓨팅은 과학, 의학, 기계 학습, 건설, 운송, 재정 및 응급 서비스 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있습니다.

약속은 분명하지만 이 기술을 실제 시나리오에 적용하려면 아직 멀었습니다. 하지만 매일 새로운 발전이 일어나고 있으므로 양자 컴퓨팅이 앞으로 몇 년 안에 상당한 혼란을 일으킬 것으로 예상하십시오.