양자 컴퓨팅 설명: 큐비트의 작동 방식과 지금 중요한 이유

고전적인 컴퓨터는 스위치가 켜져 있거나 꺼져 있는 것처럼 0 또는 1인 비트에 정보를 저장합니다. 반대로 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용하며, IBM의 공식 양자 컴퓨팅 설명에 따르면 동시에 0, 1, 또는 둘의 가중 조합을 나타낼 수 있습니다. 이 특성을 "중첩"이라고 하며, 양자 기계가 특정 문제에 대한 많은 가능한 답변을 한 번에 하나씩이 아니라 동시에 탐색할 수 있는 이유 중 하나입니다.

기계 뒤의 물리학

IBM은 양자 컴퓨팅을 가능하게 하는 4가지 양자 역학적 효과를 식별합니다: 중첩, 얽힘, 간섭 및 디코히어런스입니다. 얽힘은 큐비트를 연결하여 하나를 측정하면 둘이 물리적으로 떨어져 있어도 다른 하나에 대한 정보가 나타나게 합니다. 간섭은 양자 회로가 올바른 답변을 증폭하고 잘못된 답변을 취소할 수 있게 하며, 이는 겹치는 파동이 서로를 강화하거나 취소하는 방식과 같습니다. 디코히어런스는 반대 효과입니다. 양자 상태가 일반적인 고전적 값으로 붕괴되며, IBM에 따르면 이것이 양자 프로세서를 유용하게 유지하기 위해 엔지니어가 억제해야 하는 주요 장애입니다.

큐비트는 절대 영도에 가까운 초전도 회로, 포획된 이온, 양자점 및 광자를 포함한 여러 물리 시스템에서 구축할 수 있습니다. IBM의 양자 프로세서는 초전도 회로에 의존하며, IBM에 따르면 기존의 칩 제조 기술로 제조 및 제어할 수 있기 때문입니다.

검증 가능한 장점: Google의 Willow 칩

2025년 10월 22일 Google은 105개 큐비트의 Willow 프로세서가 Quantum Echoes라는 알고리즘을 사용하여 처음으로 검증 가능한 양자 장점을 달성했다고 발표했습니다. Google의 공식 블로그 게시물에 따르면. 이 알고리즘은 신호를 큐비트 세트로 보내고, 그 중 하나를 교란시킨 다음, 신호의 진화를 역전시켜 건설적 간섭으로 만든 증폭된 "에코"를 수신합니다.

Google은 Quantum Echoes가 Willow에서 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터 중 하나에서 실행되는 최고의 알려진 고전 알고리즘보다 13,000배 빠르게 실행되었다고 보고했습니다. Google은 2019년의 양자 우월성 주장과 달리 이 결과가 "검증 가능"하다고 강조했습니다. 즉, 비교 가능한 양자 하드웨어에서 반복할 수 있으며 교차 검증될 수 있습니다. 출력을 확인할 독립적인 방법이 없는 샘플링 작업에 의존하지 않고.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 연구자들과 협력하여 Google은 이 알고리즘을 NMR 신호를 연구하는 데 사용했습니다. 같은 Google 발표에 따르면 15개 및 28개 원자를 포함하는 분자에서, 약물 발견, 배터리 재료 및 새로운 큐비트 설계에서 가능한 향후 사용을 지적합니다.

IBM의 "유용성"에서 "오류 허용"으로의 경로

IBM은 여러 진행 단계를 구별합니다. 회사는 2023년에 "양자 유용성"에 도달했다고 말합니다. 즉, 양자 프로세서가 특정 작업에서 고전적 근사 방법을 능가할 수 있습니다. IBM은 회사의 양자 컴퓨팅 개요에 따르면 2026년 말까지 "양자 장점"(실제 문제에서 알려진 모든 고전 방법을 능가함)에 도달할 것으로 예상한다고 말합니다.

그 이상으로 IBM은 오류 허용 양자 컴퓨팅으로의 로드맵을 발행했으며, 여기서 오류는 계산을 손상시키기 전에 감지되고 수정됩니다. 로드맵은 2025년에 출시된 Quantum Loon이라는 칩을 설명하며, 고속 qLDPC 코드에 대한 개념 증명 실험을 위해 추가 큐비트 연결성을 제공합니다. 양자 저밀도 패리티 검사(qLDPC) 메모리를 사용하여 정보를 저장하는 2026년 계획의 Quantum Kookaburra라는 모듈, 및 2029년을 목표로 하는 Starling이라는 시스템. IBM은 200개의 논리 큐비트에서 1억 개의 양자 게이트를 실행할 수 있어야 한다고 말합니다. IBM의 오류 수정 접근 방식은 "이변수 자전거 코드"라고 하는 것을 사용하며, "[[144,12,12]] 그로스 코드"를 포함하며, 회사는 동일한 오류 보호를 달성하기 위해 초기 표면 코드 방법보다 약 10배 적은 물리 큐비트가 필요하다고 말합니다.

암호화가 이미 다시 작성되는 이유

양자 컴퓨터가 실험실을 넘어 중요한 이유는 Shor의 알고리즘 때문입니다. 이는 1994년 Peter Shor에 의해 발표된 수학적 방법으로, 충분히 강력한 양자 컴퓨터가 큰 수를 인수분해할 수 있고 따라서 광범위하게 사용되는 RSA 스타일 암호화를 깨뜨릴 수 있음을 보여줍니다. IBM의 개요에 따르면 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠르게.

이 위험은 표준 기관에 가설적이지 않습니다. 2024년 8월 13일, 미국 국립표준기술연구소(NIST)는 첫 번째 3개의 포스트량자 암호 표준을 확정했습니다: 일반 암호화를 위한 FIPS 203(ML-KEM), 및 디지털 서명을 위한 FIPS 204(ML-DSA) 및 FIPS 205(SLH-DSA). NIST의 공식 발표에 따르면. NIST 수학자 Dustin Moody는 조직이 "즉시 자신의 시스템에 통합하기 시작해야 한다. 완전한 통합에는 시간이 걸리기 때문에"라고 말했습니다.

양자 컴퓨터가 아닌 것

IBM의 자료는 양자 컴퓨터가 단순히 일반 컴퓨터의 더 빠른 버전이 아니라는 점을 강조합니다. 이들은 분자 및 화학 반응 시뮬레이션, 상호 작용하는 변수의 수가 고전 컴퓨터가 효율적으로 추적하기에는 너무 큰 특정 최적화 또는 기계 학습 작업 등 특정 클래스의 문제에 적합합니다. 워드 프로세싱이나 웹 브라우징 같은 일상적인 작업의 경우 고전 컴퓨터가 훨씬 더 실용적으로 유지됩니다.