(멋진독서)퀀텀의 세계-세상을 뒤바꿀 기술 양자컴퓨터

퀀텀의 세계

-세상을 뒤바꿀 기술 양자컴퓨터 - 이순칠-

카이스트 물리학 교수, 양자컴퓨터의 최고 권위자가 저자인 책이다.
양자란 무엇인가를 이해하기에는 부족한 책이었다. 저자도 이해하지 못하는 양자는 이해할 수 없는 것이라고 말을 만큼 양자 컴퓨터는 난해한 학문 분야이다. "
그래서 여러 블로그를 읽어가면서 양자에 대한 이론 내용을 첨가 할 수 밖에 없었다.
저자의 글을 통해 소감먼저 정리해 보았다.

[총평]

* 양자의 의미는 우리가 경험하지 못한 것이라 아무도 이해를 못하는 것이 정상이다. - 이순칠 -

아무리 설명을 하려해도 우리가 경험하지 못한 세상을 설명하는 것은 사람이 죽어서 저세상에 가서 했던 일을 설명하는 것을 듣고 이해하는 것과 같다. 그냥 학문적으로 받아 들이고 양자역학은 계산적으로 활용이 가능한 학문으로 받아 들여야 한다.

* 물리학자의 소명 (p286) 

   수학은 정해진 규칙을 전개하고 예측하는 학문이라면 물리학은 자연에 벌어지는 현상을 관찰하고 규칙이 무엇인지 찾는 학문이다. 물리학자이 소명은 대자연의 운행 규칙을 찾는 일이다.

​* 맺음말에서 남기는 글 (p320) : 

*  해안의 모습을 잃어 버릴 용기가 없다면 대양을 발견할수 없다.
 "Nobody can find the ocean unless he has the courage to lose the sight of seashore."

 “Man cannot discover new oceans unless he has the courage to lose sight of the shore.”
 - Andre Gide (앙드레 지드) -
 해안선에 있다면 대양을 찾을 확률이 0%이다. 배를 타고 육지가 안 보이는 바다에 나갔을때 죽을 확율이 90%이지만 대양을 발견할 확율이 10%이다.     

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* 인생이란 당신이 숨을 몇번이나 쉬었는지가 아니라, 숨막히는 순간을 몇번이나 있었는지로 평가되는 것이다.
"Life is not measure by the number of breaths you take, but by the number of moments that take you breath away."

“Life is not measured by the breathes you take, but by the moments that take your breathe away."
- George Carlin (조지 칼린) -

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양자 컴퓨팅의 현재와 미래 (p316)

- 양자 컴퓨터는 인류가 가진 나노기술로 *파이먼이 예견한 원자 하나에 정보를 쓰고 읽는 것이다.
- 언론에서 4차 산업혁명의 핵심 기반 요소로 초지능, 초연결인데, 양자 컴퓨터가 개발되면 인공지능, 로봇, 사물인터넷, 가상현실 등의 모든 것이 단번에 해결되고 변화 될 것이라고 한다.
- 특히 블록체인과 같은 암호화 기반의 기술들은 양자 컴퓨터로 인해 쉽게 접근이 가능해 질수 있다.
또한 양자 컴퓨터는 학문적으로 연구 되면서 양자 컴퓨터가 실현되기 까지는 2037년 혹은 2027년 일지 확정 하기에는 이르지만 언젠가는 현실화가 가능하다.

 

*리처드 파이먼은 24세에 물리학 박사가 되었고 양자 물리 분야에서 노벨 물리학 상을 수상하였다. 복잡한 계산식을 쉽게 나타낸 파인먼 다이어 그램을 개발하여 후예들이 쉽게 양자전기역학을 배울수 있도록 하였다.

1980년 폴 메이오프의 양자 물리 법칙으로 연산이 가능하다는 개념을 발표 하였고, 파이먼은 1982년 전자, 양성자, 광자 등의 기본 입자들은 "스핀(Spin:회전)을 하고있어 회전하는 상태의 운동량 즉 "스핀 각운동량"을 기반으로 양자의 세계에서 스핀의 크기가 양자화 되어 있음을 설명하였다. 스핀의 수가 N이라면 2^N 개의 변수가 필요하다고 하였다.

1. 책에서 정리 못한 양자 역학의 기초 정리

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[양자의 개념]

양자 (Quantum)  물리량을 최소화로 쪼갠 최소 단위의 양을 말한다.

  물질의 덩어리 크기 단위로 아주작은, 불연속적인 단위 라고 이해하는 것이 나을 듯 하다.

  양자는 크기가 아닌 그러한 단위로 이해를 한다. 

   - 기초 양자 역학에서는 에너지 준위, 또는 그 고유값을 다룬다.

   - 복사 에너지의 경우 에너지 양자로 불려 졌으며, 빛으로 공간을 이동 할 경우 전자기력 장내의 양자는 광자 (Photon) 이라고 한다.

   이는 물리학에서 양자라고 불려 진다.

 물리학에서  양자는 퀀텀(Quantum) 상호작용과 관련된 모든 물리적 최소 단위로 정의 한다.

 광자는 빛의 단일 양자이며, 광양자 (light quantum)이라고 불린다.

 원자에 속박된 전자의 에너지도 양자화 되었고,  음향의 소리 단위 입자도 음자 즉 음향양자 (photon) 이라고 한다.

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[양자역학]

양자 역학은 원자 단위 아래 아원자 입자 등 미시 세계와 그러한 세상에서 일어나는 현상을 탐구하는 현대 물리학 분야이다.

 양자 역학은 물리적인 측면의 학문으로 이해도 가능하고, 상대성 이론과 연결하여 철학적인 범주에서 접근도 가능하다.

모든 만물이 가진 고유의 에너지의 최소 단위로 어쩌면 그러한 것을 복사해서 멀리 보내면 원격 이동이 될 수 있다. 또한 빛의 속도에 가까운 속도로 먼 거리와 통신도 가능하다.

(상대성 이론에 의해 어떤 것도 빛보다 빠를수는 없다 ?) 광속은 인간이 상상 할수 있는 최고의 속도일 것이다.

 

[양자 물리의 이론]

1927년 세계 물리학회에서 양자 물리학이라고 칭하였다.

저자는 양자물리의 기본틀을 아래 와 같이 정리 하였다. (p80)

1. 삼라만상은 입자이면서 파동이다.
2. 물체는 중첩상태 혹은 고유 상태 이다.
3. 중첩된 상태를 측정하면 하나의 고유상태만 남고 , 나머지는 모두 붕괴되어 사라진다.
즉, 측정 행위는 상태를 변화시킨다.
4. 어느 고유상태가 남는지는 무작위로 선택된다.
5. 한 고유상태가 측정될 확률은 물질파의 진폭의 제곱에 비례한다.

 

설명) 물체는 파동의 성격을 가지고 있다. 제일중요한 개념은 중첩이다. 소리, 빛, 파도 등과 같은 것을 예로 들면소리를 한꺼번에 치면 화음이 생기는 것과 같고, 빨간, 파랑, 노랑 빛을 섞으면 흰색이 되는 것들을 중첩이라고 한다.
* 미시 세계에서는 물체도 파동의 성격을 가지고 중첩이 된다.
물체가 파동의 성격이다 라고 이해만 하자.
* 파동을 양자 물리에서는 고전 세계의 합쳐집과 달리 양자물리의 중첩은 상태가 중첩된 상태로 3차원 세상의 시각으로 이해는 할수 없다. 동일한 물질이 다른 위치에서 중첩이 될수 있다.

 

[중첩]

 - 중첩에 대한 예로 슈뢰딩거의 고양이 이야기는 (1935년 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 사고실험)

  상자안에 고양이 한 마리와 방사성 동의원소를 넣고  가이거 계수기로 동의 원소의 방사능 검출기를 두고

  탐지가 되면 망치가 독이든 병을 치게 되고 고양이가 죽게 되도록 만든 장치를 이야기 한다.

  방사선은 반감기가 되면 붕괴된 것과 붕괴되지 않은 것이 중첩이 된다는 가설이다.

 * 동의원소의 반감기를 통해서 중첩을 상황을 설명하려면 고양이가 죽은것과 죽지 않은 것이 동시에 존재해야 한다는 이야기로 현실 세계에서 이해 하기 힘든 양자세계의 중첩을 설명하고자 하였다.

  즉) 방사선이 붕괴한 상태가 되면 고양이는 죽고, 독극물 병이 안깨지면 고양이는 살아 있게되는데 우리가 보는 순간 고양이는 죽어 있게 된다. 

 

이 슈뢰딩거의 고양이 실험을 요약하면 상자 안의 고양이가 1시간 뒤 절반의 확률로 살아남을 수 있고, 나머지 절반의 확률로 죽는다

그러면 고양이는 살아 있기도 하고 죽어 있어야 하는 상황이 설명이 되어야 하는 혼란스런 이야기가 된다.

 * 이러한 양자의 중첩 상태는 현실 세계로 비유하는 것은 불가능하다. 우리 눈으로 중첩된 상태를 확인 할 수 없기 때문이다.

 * "우리가 보는 순간 둘중에 하나만 남고 하나는 사라진다."는  이론이다.

 

   (즉 관측이 불가능하다, 관측 하지 않은 경우는 중첩 되어 있으나 보는 순간 둘중에 하나만 남는다는 표현이다.)

 - 이것을 기반으로 양자 물리의 원칙에서 계산이 가능하지만, 그러나 현실 세계로는 설명할 수는 없다는 것을 설명하고자 하였다.

 

[퀀텀]

미세한 양자 세계는 불연속적인 양자(퀀텀)의 세계로서 서로간에 뛰엄 뛰엄 떨어져 있다. 이를 바탕으로 퀀텀 점프라고 하는 것이 이해가 가능하다.
MRI는 핵자기공명을 기반으로한 기술이다. 특정 원자의 공간적인 분포를 나눈 것이 MRI이고, 몸안에 분포한 수소의 분포 지도로 이해하면 된다.

* 새로운 문명 퀀텀의 시대 : 이러한 양자의 세계를 설명하려고 하는 것이 새로운 세상으로 응용하는 세상이 올것이다.

 

[중첩 : 얽힘]

  - 얽힘에 대한 개념 (p113)
  중첩의 상태 중에 얽혀 있는 상황과 얽혀 있지 않은 상황으로 표현한다.
  두사람이 춤을 추는데 스텝 중에 왼발이 앞에 있든지 오른발이 앞에 있던지 하나만 할 수 있다면,  두사람의 경우 4가지 스텝이 가능하다.
  이렇게 물체가 여러개가 있을때는 서로 상태가 중첩된 상태로 얽혀 있을수 있다.

 서로 독립적으로 상태가 진행되면 얽혀있는 상태가 아니다.

 그러나 사교춤을 추는 상황과 같이 서로 스텝을 서로 같이 움직여야 한다면, 서로 같이 움직이는 상태를 얽힘 상태로 이해 하면된다.

* 이런 원리에서 나의 상태를 알게 되면 다른 세상의 상대가 어떻게 되어 있는지 알 수 있는 것이 서로 얽혀 있는 상태라고 할 수 있다.

 

[큐빗의 개념과 양자 컴퓨터의 등장]

 큐빗은 퀀텀 비트로 0과 1이 중첩이 가능한 것으로 중첩이 되지 않는 것은 전자 비트로 이해한다.

 - 큐빗을 물리적으로 계산이 가능한 것이 양자 컴퓨터이다.​

 

양자컴퓨팅은 자료의 양을 큐비트로 측정한다.

 

 * 비트(bit)와 큐비트(Qubit) : 

  - 양자 컴퓨팅은 양자 동작을 반영한 컴퓨팅의 개념이다. 일반 컴퓨터가 비트라는 개념 즉 0과 1로 데이터를 표현 한다. 

 * 양자 컴퓨터는 큐비트(Qubit) 라는 개념에서 비트 개념과 유사하게  큐비트는 0,1 그리고 0과1의 중첩 상태를 동시에 표현 가능하다. 
이를 양자 중첩의 원리라고 하고 큐비트의 상태 변경에 따른 큐비트의 상태 정보를 정보 단위로 활용 하고 있다.

중첩의 상태는 0과 1을 동시에 나타낼수 있어서 일반 컴퓨터에서 2비트가 4가지 값을 순차적으로 처리한다면 큐비트은  비트로 순차적인 반복을 4번해야 할 일을 한번에 처리가 가능하다. (4큐비트는 16개 값을 한번에 처리가 가능하다.)

즉, 일반 컴퓨터에서 2비트가 4가지 가능한 값(00, 01, 10, 11) 중 하나를 인코딩할 수 있다면, 2큐비트는 4가지 상태의 중첩을 동시에 인코딩하기 때문에 4번해야 할일을 한번에 할 수 있다. 측정할 때 이러한 값 중 하나를 가져올 수도 있다. 

 

(1) 하드웨어 개념 : 고전적 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 차이

  고전적 컴퓨터에서는  비트는 0V, 5V의 전류의 상태로 0과 1을 표현한다. 0을 1로 1을 0으로 변환하는 것이 순차적으로만 가능하다.

  양자에서는 전자의 상태가 바닥이거나 바닥이 아닌 상태가 중첩이 가능하다.  2:8로 0은 1로 1은 0으로 바꿀수 있는 세상이 양자의 세상이다.

  이렇게 한번에 연산이 가능하므로 양자 컴퓨터는 클럭 속도는 느리지만 병렬 처리가 빠르다는 장점이 있다.

 고전 컴퓨터는 처리속도를 1000배 빨리 하려고 하면 CPU 1000개 필요하지만 양자 컴퓨터는 1개로도 가능하다.

  양자의 비트가 10비트(큐빗) 이면 2의 10승 124개의 상태를 한번에 병렬 처리가 가능하다. 

 

(2) 소프트웨어 개념 : 병렬처리

   - 고정 컴퓨터는 한 개씩 넣어서 순차적인 연산으로 값을 찾지만

   - 양자컴퓨터는 한꺼번에 1000개를 넣어서 한꺼번에 연산이 가능해 진다.

     . 이런 원리를 이용해서 검색이나 소인수분해, 암호 해독등에 활용이 가능하다.

 

 

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[양자 컴퓨터의 등장]

양자 컴퓨터는 얽힘(entanglement), 중첩 (superposition) 과 같은 양자역학 현상으로 자료를 처리하는 컴퓨터 계산기 이다.
기존 전기 컴퓨팅과 달리 1bit 가 아닌 4bit를 기반으로 연산을 하므로 병렬 연산과 속도가 빠르다는 것이다.
다만 아직 양자 컴퓨팅의 수준으로 올리기 위해서는 기술적인 연구와 발전이 더 필요하고 진행 중인 단계이다.

디지털 컴퓨터의 정보 저장 기본 단위는 ‘비트(bit)’다. 양자컴퓨터에서는 이 기본 단위를 ‘큐비트(qubit)’라 부른다. 큐비트의 개수는 양자컴퓨터의 성능을 좌우한다. 이론적으로 큐비트가 하나 늘어날 때마다 계산 능력이 두 배가 된다. 별것 아닌 듯하지만, 이게 엄청난 차이를 만든다. 큐비트 10개면 약 1000배, 20개면 100만 배, 40개면 1조 배가 된다.


그런 점에서 양자 컴퓨터는 기존의 슈퍼 컴퓨팅 보다 더 기대가 크다.
컴퓨터는 많은 양의 연산을 처리하면서 열을 발생하고 있고 그 열을 줄이는 연구를 하고 있으나 학문적으로도 한계점이 있기 때문이다.

2. 양자 컴퓨터의 연구와 개발

2019년 구글은 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 연산을 200 초만에 해내는 54큐비트(qubit·양자컴퓨터 연산 단위) 성능의 시카모어 프로세서를 선보인 바 있다. 현존 가장 뛰어나다는 슈퍼컴퓨터를 양자컴퓨터가 뛰어넘은 이른바 양자우월성 단계에 도달한 것이다. 구글은 2019년 세계 최초로 슈퍼컴퓨터조차 풀기 어려운 문제를 자사의 54-큐비트 시커모어 양자프로세서를 이용해 해결했다. 2019년 10월 구글은 54큐비트 기반 양자 컴퓨터를 개발해 슈퍼컴퓨터가 1만 년 걸리는 계산을 3분20초 만에 풀 수 있다고 밝혔다.

[구글]
2019년 10월 29일, 라이트코인 재단 공동 창업자 왕 신시가 트위터를 통해 “구글의 54 큐비트(양자컴퓨터의 기본 단위) 양자컴퓨터가 비트코인의 암호화를 풀려면 수백만 비트가 필요하다. 양자컴퓨터의 큐비트 단위가 매년 두 배로 늘어난다는 가정하에 비트코인을 깨는 데 약 15년이 걸릴 것”이라고 설명했다.

[IBM]

2021년 11월 14일, 아빈드 크리슈나 IBM 최고경영자(CEO)는 미국 인터넷 매체 악시오스(Axios on HBO)에서 새로 개발한 이글 프로세서는 127큐비트(qubit :양자컴퓨터 연산단위)를 처리할 수 있다며 100큐비트 이상 성능으로 기존 컴퓨터를 능가하는 새 이정표에 도달했다고 말했다.

현재 공인인증서는 2048비트 RSA 암호화 키를 사용하는데, 2048비트를 양자컴퓨터로 계산해 뚫으려면 큐비트가 두 배 이상 필요하다. IDQ코리아 최정운 박사는 "지금 개발된 양자컴퓨터가 100큐비트 미만인데, 현재 암호화 알고리즘을 깨려면 적어도 5000큐비트 이상 양자컴퓨터가 필요하다"고 말했다.

[한국]

2019년, 삼성전자가 아이온큐에 650억 원을 투자했다.

2020년, 아이온큐가 22큐비트 양자컴퓨터 시스템을 발표했다. 2028년 1024큐비트를 개발할 계획이다. 2cm 반도체 위에 80큐비트를 집적하는 기술을 개발중이다.

2021년 9월 9일, 삼성전자, 현대차가 투자한 아이온큐가 미국 주립 메릴랜드 대학교에 아이온큐 연구원과 엔지니어 등이 이용할 수 양자컴퓨딩 실습 연구소를 설립한다.

2021년 10월 1일, 아이온큐는 양자컴퓨터 전문기업으로는 최초로 뉴욕증시에 상장되었다.



[양자컴퓨터의 활용]

현재는 비트수가 많지 않고 오류가 있더라도 가능한 부분에 사용가능하다.
양자 상태를 시뮬레이션 하는 것은 다양한 상태를 파악하기 힘들다.
그러나 신약계에서 양자컴퓨터를 통해서 다양한 물질의 조합에 대한 경우의 수를 쉽게 찾아 낼 수 있다.
아이온큐는 다양한 시뮬레이션을 제공 하는 사업자이다.
양자 컴퓨터로 해킹을 하는 시대는 아직 기술적인 부분은 10년 정도 소요 예상되고, 양자 컴퓨터가 10년후 나온다면 지금부터 학문적인 준비가 필요 하다.
양자 컴퓨터를 통한 해독이 가능하다면 비트코인 같은 경우는 위험한 분야가 예상된다.

[양자 컴퓨팅의 연구]

- 양자 상태 측정, 결맞음, 상호작용 조절이 가능한 양자 컴퓨팅의 연구 분야는 다양하다.

1. 핵자기공명 양자 컴퓨팅: 자연의 수소나 탄소와 같은 분자를 통해서 양자에 적합한 성질을 찾는 것으로 현재 MRI와 같은 원리로 발전됨, 2큐빗정도의 CPU 개발 이후 큐빗을 늘리는 한계에 봉착되었다.

2. 이온덫 : 약 20큐빗의 양자 CPU 개발, 전기장을 이용하여 이온화된 양자를 잡아두고 레이저를 쏘아 상태를 조절하여 단일 큐빗의 회전으로 연산을 활용하여 CNOT 연산 가능한 기술이다.

3. 초전도 소자 양자 컴퓨터: 절대 0도 영하 269도이하의 극 저온에서 전기의 저항이 0에 가까워짐을 이용하여, 전류를 고리모양으로 만들어 자기장을 생성하는 기술로 자기장의 방향을 바꾸어 0과 1을 나타낼수 있다.
4. 반도체기반 스핀 :
5. 양자점:
6.공진기:

 

3. 양자학의 중요한 개념

1) 흑체 복사 :
검은 물체에서 나오는 빛을 연구하는 개념으로 형광등이나 오로라 같이 빛은 내는 방식도 아니면서 물체는 뜨거워 지면 빛을 낸다 또한 뜨겁지 않아도 빛이 나온다는 개념이다.
이러한 것은 적외선 카메라로 우리 몸에서 방출하는 빛을 탐지하는 장치와 같다. 즉 우리가 이해하는 빛은 가시광선 영역에서 보는 것이고, 물체의 종류와 상관 없이 상온에서는 적외선이 나오고 온도가 올라가면서 파장이 짧아지면서 가시광선으로 보인다. 또한 온도가 더 올라가면 자외선으로 방출이 된다.

2) 광전효과:
광전 효과는 금속에 빛을 투여하면 전자가 튀어 나오는 현상이다.
빛의 에너지는 너무 작아서 질량을 확인 할 수 없다. 양자는 입자의 성질을 가지고 있으며, 기본 값의 정수개의 에너지를 가진다. 파동도 입자성을 가진다는 이론을 설명한다.

3) 파동의 입자성 : 빛은 파동인가? 입자인가?
빛은 질량도없지만 입자인가 파동인가에 대한 논란이 크다. 이후 빛은 "전자기 힘의 진동이 전파되는 현상으로 입중되었고, 전자기 힘은 매질(전달 물질) 없이도 전달이 가능하다"고 입증되었다.
이를 바탕으로 아인슈타인의 상대성 이론에서 빛에서 양자론과 상대론이 탄생하게 되었다. 빛을 전자에 쏘면 전자에 맞은 빛은 튀어나가고 전자는 뒤로 밀려난다. 는 것으로 "빛은 파동이면서 입자이다"라고 정리하고 있다.
1923년 루이 드브로이는 모든 입자는 파동의 성격을 가졌다는 논문을 제출하였다. 이것으로 빛도 파동이지만 입자적인 성격을 가졌다는 사실을 규명하였다.
이러한 파동입자설을 기반으로 "흑체복사" 와 "광전 효과"에 대한 연구가 시작되었다.

4. 중첩 과 간섭
중첩은 두개 이상의 파동이 만날때 일어나는 현상이다.
굴절, 반사, 애돌이, 간섭 등의 파동이 만들어 내는 모든 현상이 파동의 중첩성에서 나타난다.

코펜하겐 전자 이중 슬릿 실험의 해석에 따르면,  "전자는 관측되기 전까지 확률적으로 존재 가능한 모든 위치에 동시에 존재하며, 관측되는 순간 하나의 위치로 결정된다."
관측되지 않은 전자는 이쪽에 있을 확률, 저쪽에 있을 확률 등등이 중첩되어 있었기 때문에 서로 간섭하는 파동처럼 행동했고, 관측되는 순간 다른 곳에 존재할 확률이 없어지고 하나의 위치로 결정되었기 때문에 그 뒤로는 입자처럼 행동했다는 것입니다.

이런 현상을 양자 중첩(Quantum superposition)이라고 합니다.

* 양자의 특성 : 복제 불가능 (No- Cloning Theorem) : 양자 상태는 복제가 불가능하다 ?
- 이론적으로 복제를 하려면 정보를 읽어서 복제를 해야 한다. 정보를 읽는다는 것은 측정을 한다는 것이다. 측정을 하게 되면 간섭으로 원본이 변화게 되므로 원본이 변하게 된다.
이러한 양자역학의 측정은 대상을 교란하기 때문이다.

https://m.blog.naver.com/mage7th/221815321449

[ 양자 알고리즘 ] 쇼어(Shor) , 그로브(Grove) 알고리즘 개념 및 이해

 

4. 양자역학 기초 알고리즘 : 쇼어와 그로브

 

양자 특성을 활용하기 위한 양자 컴퓨터 이론은 리처드 파인만의 언급 이후 30년 동안 진행되어 왔으며, 2019년 들어 구글, IBM등 상용화를 위한 양자컴퓨터가 발표되면서 과학 기술계에서 큰 주목을 받았다. 양자 기술은 기존 기술로 문제를 해결하는 데 걸리는 시간보다 훨씬 더 짧은 시간에 문제를 해결할 수 있을 것으로 보이기 때문에 4차산업의 핵심이 되는 인공지능, 빅데이터, 클라우드, 블록체인등의 산업도 큰 변화와 발전이 이루어 질 것으로 예상되고 있다. 

[양자 컴퓨팅관련 알고리즘의 활용]
- 양자 컴퓨팅은 일반 컴퓨터의 연산보다 소인수 분해와 같은 복잡한 연산에서 빠르다. 책에서는 양자 컴퓨팅의 알고리즘으로 쇼어(Shor) 와 그로브(Grove)를 언급하고 있다.

(1) 쇼어 알고리즘 : 소인수분해
쇼어의 알고리즘은 소인수 분해를 위해 빠르게 처리할수 있는 양자 알고리즘이다.
* 이 알고리즘은 공개키 암호과 같은 RSA의 경우 소수를 곱한 값을 공개 열쇄(N)으로 사용하고 있다. 이러한 (N)을 빠른 시간안에 찾아 내는 것이 양자 컴퓨터의 킬러 어플리케이션(Application)이다.
수백자리의 수를 소인수 분해 하는데는 아직 연구가 더 필요하지만 향후 양자 컴퓨팅의 발전으로 이러한 암호관련 기술도 변화가 예상된다

(2) 그로버의 데이터 검색 알고리즘
그로버알고리즘은 쇼어 알고리즘을 2년뒤 발표 되었다. (1996년) 인도계 미국 컴퓨터 공학자 롭 그로버(Lov Grover) 알고리즘은 정렬되지 않은 데이터 베이스를 선형 시간내에 검색하는 알고리즘이다.

그로버 알고리즘(Grover Algorithm)은 탐색 문제에 관한 기하학적 특성과 양자적 특성을 이용해 고전적 컴퓨터가 지수적인 시간 복잡도로 구현하는 탐색 문제를 다항 시간에 풀수 있도록 한 양자 알고리즘이다.

그로버의 알고리즘은 무차별 대입 공격 (Brute - Force Cracking)의 속도 향상에 영향을 주었다. 인수분해가 아닌 암호에 대한 평균이나 중앙 값을 찾는데 효과 적이다.
쇼어와 그로버의 알고리즘은 현대 암화화 기술에 대한 영향을 주었다. 또 중첩, 얽힘, 비복제 특성의 양자 컴퓨팅 기술을 통해 수신자의 도청 여부를 인식이 가능한 양자 기술의 학문적인 활용 가능성을 마련 하였다.

[마무리]
* 양자역학(量子力學, 영어: quantum mechanics, quantum physics, quantum theory)은 분자, 원자, 전자, 소립자 등 미시적인 계의 현상을 다루는 즉, 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 분야이다. 또는 아원자 입자 및 입자 집단을 다루는 현대 물리학의 기초 이론이다. '아무리 기이하고 터무니없는 사건이라 해도, 발생 확률이 0이 아닌 이상 반드시 일어난다'는 물리학적 아이디어에 기초한다.
현대 물리학의 기초인 양자역학은 컴퓨터의 주요 부품인 반도체의 원리를 설명해 주는 등 과학기술, 철학, 문학, 예술 등 다방면에 중요한 영향을 미쳐 20세기 과학사에서 빼놓을 수 없는 중요한 이론으로 평가된다.

양자(量子)’로 번역된 영어의 quantum은 양을 의미하는 quantity에서 온 말로, 무엇인가 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것을 가리키는 말이다. ‘역학(力學)’은 말 그대로는 ‘힘의 학문’이지만, 실제로는 ‘이러저러한 힘을 받는 물체가 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 물리학의 한 이론’이라고 할 수 있다. 간단히 말해 ‘힘과 운동’의 이론이다. 이렇듯 양자역학이란 띄엄띄엄 떨어진 양으로 있는 것이 이러저러한 힘을 받으면 어떤 운동을 하게 되는지 밝히는 이론이라고 할 수 있다.[7]

양자역학 형성의 길은 두 갈래로 되어 있다. 한쪽은 보어의 원자 모형에서 출발하여 대응원리(對應原理)에서 행렬 역학으로 통한 길이다. 또 한쪽은 아인슈타인의 광자로 비롯하며, 루이 드브로이의 물질파를 거쳐서 도달하는 파동역학의 길이었다. 이 둘은 그 형성과정이나 수립된 이론이 전혀 달랐지만 얼마 안 가서 실은 같은 내용이라는 것이 판명되고, 통일체로서의 양자학으로 간추려졌다.

* 책에서는 양자의 원리를 사교 댄스를 하는 두사람의 발자욱으로 설명하고 있다.
상대방의 발움직임에 따라 함께 발을 움직이고 있다는 것으로 양자의 실제를 확인할수 없기에 다른 매개를 통해 양자의 움직임과 원리를 이해 할수 있다.
이러한 움직임을 물질이 가진 고유의 운동 에너지와 파동이라고 설명한다.

* 양자컴퓨팅은 물질이 가진 에너지의 파동 역학을 기반으로 정보를 저장과 연산이 가능한 기술이다.
기존의 컴퓨팅은 0과 1의 전기적인 부호를 기반으로 연산을 순차적으로 하면서 발열과 연산의 한계로 매2년 마다 CPU 속도가 2배씩 증가한다는 "무어의 법칙"은 이제 한계점에 이르고 있다.
양자의 세계에서는 기존의 1과 0으로 이루어진 전자를 기반으로한 데이터의 방식과 달리 광자의 1과 0 그리고 중첩 1,0 이 동시에 존재하는 상황을 표현 가능한 퀀텀(Quantum) 이라는 양자 단위로 양자 컴퓨팅의 병렬 처리가 우수하다는 것이다. 속도는 느리지만 한꺼번에 복잡한 연산을 하거나 쉽게 소인수 분해가 가능하기 때문에 암호 해독이나 정확한 값을 연산하는 것이 아니라 의학품 연구에서 복잡한 경우의 수를 찾는데 유용한 기술로 연구 되고 있다.
또한 양자컴퓨팅의 기술은 빛과 같은 광자를 이용하여 암호화 통신에 활용하여 송신자와 수신자만 해독이 가능한 광속의 통신이 가능하다. 이로써 양자의 상호 작용을 이용하여 광속의 세상이 다가 올 것으로 예상한다.

 

양자 컴퓨터의 분야별 접근 전략

양자 역학과 미래의 변화

양자기술은 양자컴퓨팅의 초고속 연산, 양자통신의 초신뢰 보안, 양자센서의 초정밀 계측 등을 가능하게 하는 혁신적인 기술이다. 이 중 양자컴퓨팅 기술은 국내 산업이 아직 형성되지 않아 대학과 출연(연)을 중심으로 기초연구를 수행하고 있다. 출연(연) 최초로 양자연구를 시작한 KIST는 1980년도부터 양자소재 연구로 기반을 꾸준히 마련하였으며, 2012년에는 전문화된 양자정보연구단을 설립, 양자소재부터 시스템(양자컴퓨팅, 양자통신, 양자시뮬레이션, 양자센서 등)에 이르기까지 원천기술 확보에 매진하고 있다. 

항공우주

항공우주 회사는 해결책이 복잡한 여러 가지 문제점에 직면합니다. 예를 들어 대규모 폭풍 때문에 항공사 운항이 중단될 위험이 있다고 가정해 보겠습니다. 양자 컴퓨터는 기하급수적인 변수를 고려하여 각 항로에 대한 최적의 대안을 결정할 수 있으므로 중단으로 인한 영향을 줄일 수 있다. 또 전국 또는 전 세계에서 항공사가 비행기용 예비 부품을 사전 배치할 수 있는 가장 좋은 공항 위치를 선정하는 것에도 필요하다. 이와 같이 양자 컴퓨팅은 승객, 승무원, 정비 일정, 운항 일정 등에 미치는 영향을 최소화하도록 자원을 할당하는 최적의 방법을 찾는 데 도움이 될 수 있다.

컴퓨팅기술

고온 초전도성을 활용할 수 있는 길도 제공할 수 있다. 전하가 저항없이 이동할 때 발생하는 초전도성은 전력망의 효율을 크게 높일 수 있다. 현재는 많은 에너지를 써서 도달할 수 있는 극저온에서만 초전도성을 구현할 수 있다. 양자컴퓨터는 원자가 물질적 상호작용을 하는 수많은 방법을 연산하고 검토할 수 있게 만들어, 상온이나 고온에서 초전도체를 만드는 방법을 발견할 수 있다.

빅데이터, 인공지능(AI), 머신러닝 등의 급속한 발전과 맞물려 양자컴퓨팅 기술과 인공지능 기술을 접목하려는 시도들도 급증하고 있다. 대규모 고차원의 데이터를 해석하기 위해 딥러닝 처리속도를 개선이 가능하다..

정보보호와 국방 등 암호해독 분야에 활용할 수 있을 뿐만 아니라, 금융, 교통 등에 이르기까지 복잡하면서도 월등한 연산 속도를 필요로 하는 다양한 산업 분야에 걸쳐 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

화학

화학 물리 분야에서는 원자-분자 간의 새로운 과학적인 현상을 규명해 줄 수 있는 도구가 되어줄 것이다. 나노소재, 미세구조의 시뮬레이션을 통해 새로운 소재를 발견해 낼 수 있을 뿐만 아니라, 분자구조의 정확한 모델링을 통해 수년이 소요되는 의약산업의 경제적 비용을 앞당겨 줄 수 있다.  양자 컴퓨팅은 새로운 분자 구조의 속성과 작용을 시뮬레이션하는 용도 등 화학 분야에서 다양하게 응용할 수 있습니다. "양자 컴퓨팅은 양자 역학의 확률적 문제를 해결할 수 있는 독자적인 기능을 갖추고 있으므로 분자 모델링에 특히 적합하다. "미래에는 양자 컴퓨팅을 사용하여 지구 온난화 영향이 낮은 새로운 냉매 및 이산화탄소를 회복하는 새로운 용제 등 새로운 분자의 분자 특성을 예측할 수 있을 것이다."

신재생 에너지

 친환경 에너지로 태양의 광자 에너지를 전자화 하여 저장하는 기술도 중요한 양자 기술중의 하나이다. 양자의 광전효과(Photoelectric Effect)는 금속에 속박된 전자에 빛을 쪼이면 에너지를 방출하게 되는 양자역학이다. 이를 이용하여 빛에너지를 전기 에너지로 변환이 가능하다. (빛 에너지가 전기로 바뀌는 현상인 광전효과를 만드는 전기기구를 태양 전지, 광기전력 전지(photovoltaic cell) 또는 광전지라고 한다.)  태양전지 발전 방식은 전력을 생산하는 과정에서 유해한 물질을 방출하지 않아 친환경 전력 발전 방식이다.

의료 및 제약

3차원으로 접힘 형태를 지니고 있는 단백질과 유전자 구조를 정확하게 예측하고 분석하는 것은 신약개발, 유전자 질환 치료 등에 활용이 가능하다.  인간의 유전자를 구성하는 DNA는 4종류의 염기가 중합과정을 통해 약 64억 개 이상의 염기쌍으로 복잡하게 구성되어 있어 이를 해석하는 일은 인류가 극복해야 할 최대 난제 중 하나로 알려져 있다. 실제로 미국 버지니아대학 연구진들은 방대한 양의 염기서열 변이 데이터를 효율적으로 계산할 수 있는 알고리즘을 개발하여 기존 디지털 컴퓨터로 약 30억개의 연산이 필요한 것을 양자컴퓨터로는 단 32개의 연산만으로 가능하게 됨을 보였다.
유전자 질환의 진단에서부터 난치병을 예방하고, 개인별로 맞춤형 치료 등이 가능할 수 있게 된다는 점에서 큰 의의가 있다. 양자 컴퓨팅은 신약개발이나 유전자 개발과 같이 다양한 변수를 통해서 결합된 경우의 수를 분석하여 최적의 환경을 찾는 것에 유용하다.

 

물류 및 로봇 공학

계산의 범주가 조합론(combinatorics)에 한정되어 최적화된 배열을 찾는 복잡한 교통, 물류 분야에서도 양자컴퓨팅 기술 도입은 긍정적인 영향을 미칠 수 있다. 수백 대, 수천 대 차량의 상호작용이 이루어낸 교통, 50개 이상의 도시가 맞물려 있는 물류 운송에서는 항목의 수가 증가함에 따라 가능한 배열의 수도 기하급수적으로 증가한다. 
양자 기술은 물류에서 이동하는 가장 효율적인 경로를 판단할 수 있다.
배송 및 전자 상거래 회사의 사업은 상품을 한 장소에서 다른 장소로 효율적이고 안전하게 이동하는 데 달려 있습니다. 이렇게 하려면 창고, 공장 및 유통 센터 전반에 걸쳐 장비에 센서가 필요하므로 데이터가 대량으로 발생한다. 기계 학습 알고리즘은 이러한 데이터를 가져오고 통찰을 사용하여 의미 있는 의사 결정을 위한 정보를 제공한다. 양자 컴퓨팅은 가장 의미 있는 데이터를 캡처하고 기계 학습 프로세스의 속도를 높이기 위해 센서를 내장할 최적의 장소를 식별할 수 있다.  

재무

양자 컴퓨팅은 금융 기관에서 고객의 문제를 해결하는 데도 도움이 될 수 있습니다. 투자의 경우 양자 컴퓨터는 투자 포트폴리오를 최적화하고 변종 금융 파생 상품의 가격을 결정하는 데 도움이 됩니다. 또한 이 기술은 기관이 변칙적인 거래를 더 정확하게 특성화하고 사기를 더 신속하게 감지하는 데도 도움이 됩니다.

 

[양자역학] https://namu.wiki/w/%EC%96%91%EC%9E%90%EC%97%AD%ED%95%99



[ 양자 알고리즘 ] 쇼어(Shor) , 그로브(Grove) 알고리즘 개념 및 이해 : 네이버 블로그 (naver.com)

[ 양자 알고리즘 ] 쇼어(Shor) , 그로브(Grove) 알고리즘 개념 및 이해

[그로버알로리즘] https://docs.microsoft.com/ko-kr/azure/quantum/concepts-grovers

Grover의 검색 알고리즘의 이론 - Azure Quantum

쇼어 알고리즘 - 나무위키 (namu.wiki)