양자 컴퓨터

 

현대 물리의 이해는 상대성이론의 이해와 양자 역학의 이해로 요약된다. 상대성이론은 우리가 사는 시공간이란 무엇인가를 질문한다. 우리는 서로 다른 공간을 지나가기에 서로 다른 시간을 살고 있다. 공간과 같이 시간도 시공간상의 좌표축의 하나라는 점은, 시공간이 보다 본질적인 존재로부터 얽힌 상태로 태어난 구조물일 수 있다는 것을 암시한다. 루프양자중력(LQG) 에서는, 시공이 존재의 배경이 아니라, 시공조차도 공으로부터 탄생한 양자화된 구조물임을 얘기한다.

 

양자역학은 존재의 본질에 대해서 얘기한다. 존재들의 본질은 파동이고, 파동의 움직임에 따라 입자적 모습으로 보일 수 있음을 현대 물리는 얘기한다. 모든 존재들은 보존과 페르미온으로 되어 있고, 그들은 입자의 장으로 연결되어 있다. 또한, 가장 근본적인 바탕에서는 어떤 페르미온도 어떤 보존도 모두가 완전히 동일하다. 즉, 파동적으로 모두 연결이 된 것이다. 그들은, 서로 멀리 떨어져 있으면 서로 구별이 되는 독립적인 존재처럼 보이지만, 가까이 다가오면 그들의 정체성은 사라진다. 그러나, 양자 역학적으로 얽힌 상태에 있는 두 양자들은, 아무리 떨어져도, 서로의 인과 관계에 무관하게 하나의 존재로 행동하면서 존재의 파동적 본질을 여실히 드러낸다. 시공간조차도 양자적 얽힘으로부터 파생된 존재일 수도 있다.

 

양자 역학이 자연의 본질을 기술하는 학문인지, 아무도 모른다. 자연은, 이유는 모르지만, 정교한 수학적 법칙에 따라 기술이 가능하고, 양자 역학은, 참으로 이상한 수학적인 관계를 얘기하고 있지만, 한번도 그 법칙에서 벗어난, 즉 반증의 예가 없기에 아직까지 건재하다. 양자적 레벨에서 존재들은 모든 가능성의 중첩으로 존재하다가, 관측의 순간에 그 가능성 중 하나의 모습을 드러낸다. 관측에 관한 해석에 따라 크게는 Everett의 Many-world interpretation과, Copenhagen 파의 waveform collapse이론으로 나눠진다.

 

Caltech 의 John preskill 교수는 양자역학을 바라보는 관점에 따라, “Platon”주의자들과, “Positivist”주의자들로 나눠진다고 설명한다. 전자는 본질을 후자는 실증을 중요시한다. 본질주의자들은 물리학은 자연의 본질을 기술하는 학문이라고 얘기하고, 실증주의자들은 물리학은 우리가 자연을 인식하는 방법을 기술한다고 얘기한다. 코펜하겐학파에게 있어서, 물리학은 본질을 알고자 하는 학문이 아니라, 우리가 자연을 기술하고, 그 기술에 따라 다음 사건을 예측하는 학문일 뿐이라고 얘기한다. 철학적으로 보면, 물자체는 존재하고 우리는 관념에 투영된 image만 인식할 수 있는 것이나, 아니면 우리가 인식하는 그대로가 바로 물자체인가라는 질문과도 관련이 있다.

 

이전 포스팅의, 폰 노이만 사진을 보면 “We don’t understand things, we only get used to them”이라는 요지의 말이 있다. 인간들이 본질을 알고자 하는 것, 다 부질 없는 짓인지 모른다. 인간들은 단지 익숙해질 뿐이고, 익숙해진 그것을 진실처럼 믿을 뿐이다.

 

 

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이번에 잠수에서 부상해서 1달 조금 넘는 기간 동안, 양자 정보 이론을 정리해 보았다. 잠수 전 양자 정보이론을 정리할 때에는 벨 부등식의 수학적 이해를 목표로 진행을 하였고, 이번에는 양자 컴퓨터에 관한 여러가지 내용을 정리해 보았다. 양자 컴퓨터는 기본적으로 양자 중첩과 얽힘 현상을 연상에 이용하는 장치이다. 파인만이 그 가능성을 제시했지만, Shor 알고리듬이 개발된 후, 본격적으로 상용화 가능성이 제시되었다. Divencenzo는 양자 컴퓨터를 만들기 위한 5가지 조건을 제시하고, 그 조건에 따라, 현재 IBM, Google, Microsoft, Intel 등 세계 유수의 회사들이 저마다의 기술을 개발하고 있다. 현재까지 많은 돈을 투자하였지만, 어떤 한 회사도 quantum supremacy (양자우월성)을 확실히 보이지 못했다.

 

양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 양자를 제어할 수 있어야 한다. 즉, a0>+b1>로 bloch sphere상에 표현되는 Qbit를 제어하기 위하여, 인간들은 Ion-trap, Rydberg atom, Josephson device, topological material등, 다양한 방법으로 원자 1개 단위로 제어하는 기술을 개발하였다. 레이저 광을 원자나 이온에 쪼임으로써, 우리는 원자들의 온도를 낮추고, 원하는 방향으로 초기화하고 양자 상태를 측정하는 것이 가능해 졌다.

 

양자 컴퓨터는 아니지만 양자 암호키 분배기술(양자 통신이라고 잘 못 알려진)을 이용하여 중국은 7600나 떨어진 두 지점의 여러 양자들의 얽힘 상태를 유지하는데 성공하였다. 양자 컴퓨터는 모든 연산을 일반 컴퓨터처럼 수행하지는 못한다. 연산 과정은 병렬적으로 이루어지더라도 그 결과를 가져오는 과정에서 하나의 양자 상태로 결정되기 때문이다. 현재 주 응용 분야로 생각하는 것은, quantum simulator, Protein structure analysis, Machine learning algorithm 등이 있다. 현 단계에서는 50 Qbit 정도로 실제로 의미 있는 응용 분야를 누가 제일 먼저 만들 수 있을 것인가가 화두이다.

 

2019년 구글이 53Qbit의 sycamore processor로 random quantum operation 연산 결과의 bit string이 이론적으로 예상하는 확률분포인 Porter-Thomas 분포와 얼마나 유사한지를 양자 컴퓨터로 계산했다고 했다. 도대체 그들이 어떤 일을 한 것인지 자세히 알고 싶어 조사했지만 포기했다. 그 뒤로 다시 2년동안 잠잠하다. 예전에 D-wave가 quantum-annealing 이라는 최적화 방법으로양자 우월성을 보였다고 발표한 뒤 잠잠한 것과 유사하다. 간단히, 얘기하면 아직 양자 컴퓨터로 의미있는 결과를 내는데는 아무도 성공하지 못한 것이며, 거시적 레벨의 슈뢰딩거 고양이를 만들지 못했다는 것이다.   

 

 

양자 컴퓨터를 만들기 어려운 이유는 양자 상태를 오래 지속하기 어려운, 즉, 파동함수의 phase 정보가 소실되는 de-coherency problem과, quantum gate의 연산 오류율이 높다는데 있다. 어떤 컴퓨터의 연산 결과가 부정확하면, 정확도를 올리기 위해서 오류정정 부호 (error correction code)를 삽입하는 등 여분의 회로를 추가해야 한다. 그러나 추가된 회로에서도 오류가 발생할 수 있으니, 또 추가추가의 회로가 필요하다. 만약 오류 발생 확률이 어떤 한계치보다 높다면, 이 방법은 성공할 가능성이 0으로 수렴한다. 바로 이러한 오류 확률 때문에 양자 컴퓨터는 신기루에 지나지 않을 것이라고 단언하는 물리학자들도 있다. 현단계에서는 이러한 연산 오류를 고려하여 Caltech의 John Preskill 교수는 NISQ(noisy intermediate-scale quantum computing) 단계의 양자 컴퓨터의 구현을 얘기한다.