Quantum Computer
연산 혹은 계산(computation)은 주어진 입력에 대하여 적절한 출력을 주는 함수라고 정의할 수 있다. 컴퓨터는 그 동작이 연산으로 해석될 수 있는 물리적 실체(physical object)를 의미한다. 이러한 정의에 근거한다면 양자컴퓨터란 양자계의 상태가 입력, 출력 등의 정보(information)로 해석될 수 있고, 또한 상태의 진화(evolution)가 연산으로 해석될 수 있는 실제적인 양자계라고 말할 수 있다.
이제 기존의 컴퓨터와 양자컴퓨터를 비교하여 살펴보도록 하자.
| electric computer | quantum computer | |
| information | Boolean (0, 1 ; bit) | Boolean (0, 1 ; qubit) |
| informatin implementation | voltage of wire | two-level system |
| bit | added or removed | conserved |
| reversibility | irreversible | reversible |
| gate | spatially arranged combination of transistors | time-ordered unitary operators |
먼저 다루는 정보는 부울대수로 둘 다 이진수를 기본으로 한다. 정보를 물리적인 실체에 구현하는 방법은 기존의 컴퓨터에서는 전선에 전압이 걸려있는가(1), 아닌가(0)로 표현하며 양자컴퓨터에서는 스핀 1/2 입자의 스핀상태가 up(1)인가 down(0)인가로 표현한다.
그런데 기존의 컴퓨터에서는 기본 게이트를 구성하고 전체 회로를 구성하는 데 있어 얼마든지 전선을 추가하거나 없앨 수 있다. 즉 정보의 최소 단위인 비트가 더해지거나 없어질 수 있는데 반하여 양자컴퓨터에서는 어떤 스핀계를 이용하던지 준비된 양자계의 evolution 동안 스핀을 없애거나 추가할 수 없으므로 큐빗의 수가 보존된다.
또한 기존의 컴퓨터의 경우 게이트는 공간적으로 구성된 전선과 트랜지스터의 조합으로 볼 수 있으며 정보는 공간적으로 지나가면서 연산되는 반면, 양자컴퓨터의 경우 게이트는 스핀계에 순차적으로 적용되는 유니타리 변환으로, 정보는 공간적으로 같은 곳(큐빗)에서 시간의 흐름에 따라 연산된다. 이때 양자계의 evolution은 임의의 해밀토니안에 대해서도
이므로 우리가 인위적으로 가할 수 있는 모든 변환은 유니타리이고 시간에 대해 가역적(reversible)이다. 따라서 이 가역성 때문에 게이트를 설계할 때도 논리적으로 가역적으로 구성해야 하며 이는 큐빗의 수가 보존되는 것과도 일관성을 갖는다.(게이트의 논리적 가역성에 대해서는 Quantum gate and quantum network을 참고하라.)
마지막으로 양자컴퓨터를 처음 접하는 사람들이 하는 가장 많은 질문을 하나 소개한다.
Q : 양자컴퓨터에서 8 bit CPU를 만든다면 어떤 식인가?
A : 기존의 컴퓨터에서는 CPU의 회로도를 바탕으로 기본 게이트들을 공간적으로
배열하는 것이겠지만, 양자컴퓨터에서는 8 개의 스핀 1/2 입자들이 전부이다.
이 8 개의 스핀에 8 bit 정보가 표현되고, 처리되며 CPU의 일반적인 기능은
이 스핀계에 가해지는 일련의 유니타리 변환들의 시간적 순서가 되는 것이다.
기존 컴퓨터에서 회로도가 중요하다면 양자컴퓨터에서는 유니타리 변환들의
순서(이것을 대응되는 개념으로 양자회로망;quantum network이라고 한다.)가
중요하다.