[ 양자도메인 스터디 ] 양자백서 핵심 내용 정리 _0923

# 중첩과 얽힘

중첩 : 두 상태의 중첩이 양자역학적으로 허용됨. 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 상태

→ 0과 1을 동시에 가질 수 있기에, 기존 비트보다 많은 양을 동시에 저장하고 처리할 수 있음 !

얽힘 : 양자 얽힘 상태는 분리 가능한 텐서 곱의 형태로 절대 나타낼 수 없음. 여러 개의 입자가 서로 얽혀서, 하나가 다른 하나를 결정. - 하나를 측정하면 다른 하나도 즉시 상태가 정해짐

→ 다른 큐비트들이 모두 한 번에 얽혀있으니, 연산횟수를 줄여줌 !

양자 컴퓨터 뉴스를 이해하기 위한 최소한의 지식 (feat. 채은미 교수) [취미는 과학/ 25화 확장판]

 

영상에서 얻은 내용들

• 양자-고전 하이브리드
  • 고전은 낚시대 하나씩 던져서 1000개 칸을 다 살펴보는거면, 양자는 1000개의 낚시대를 한 번에 던져서 어디서 온건지 알아맞추는 것. 에러 확률은 있지만 여러번 하다보면 답을 맞춤.
  • 그러면? 양자 컴퓨터로 연산하고 이걸 고전 비트로 검산하면 안될까? → 양자-고전 하이브리드 연구 분야
• 큐비트
  • 초전도체 - 칩으로 회로. 낮은 온도의 냉각이 필요함.
  • 전기 신호로 큐비트를 제어. 0에서 1로 신호가 가는 도중 끊으면 중첩 상태가 됨. 얽힘도 회로로 만듦.
  • 원자 하나를 큐비트로 쓰는 방식 - 이온, 중성원자 컴퓨터도 존재.
  • 원자는 레이저로 냉각해서.. (레이저를 조사해서 멈추게 하면.. 냉각된 것!) 그래서 상온에서도 가능.
  • 이온 트랩. 냉각시킨 원자를 전기장에 담는 것.

 

 

# 큐비트

큐비트 : 양자 비트. 양자 정보의 양의 기본 단위. 0과 1의 중첩 상태로 표현된다.

 

 

 

# 결맞음과 밀도 연산자

결맞음(큐비트의 물리적 특성. 양자 상태의 성질)이 높다 - 큐피트가 완벽한 중첩 상태를 유지하고 있다.

근데 큐피트가 외부의 열 등을 받으면 중첩이 깨져서 결 풀림이 된다. 큐비트가 0이나 1로 확정되어버림.

*양자 큐비트가 중첩 상태에 있는 것을 '결맞음(coherence)'*이라고 합니다.

밀도연산자는 큐비트의 상태를 수학적으로 기술하는 도구 결맞음 등의 큐비트의 정보를 담는 행렬

순수 상태 = 결맞음 상태 // 혼합 상태= 결어긋남 상황

 

 

 

# 벨 부등식

• 벨 부등식 : 국소 실재론이 반드시 만족해야하는 조건.
  • 국소 실재론 : 모든 현상이 이미 정해진 '숨겨진 변수'에 의해 일어나며, 빛의 속도를 넘어서는 즉각적인 상호작용은 없다 → 광자가 이미 정해진 상태를 가지고 있다면, 측정 각도를 돌려가며 측정해도 상관관계가 2를 넘을 수 없다
• 그런데, 2가 넘음. 실험 결과가 벨 부등식을 위배. 측정하는 순간 서로의 상태에 즉각적으로 영향을 주는 양자얽힘 현상 때문에 상관관계가 2를 넘는다.
  • 국소 실재론이 틀렸음을 의미. 양자 이론이 현실을 더 정확하게 설명한다는 강력한 증거

부등식을 만족하지 않는, 국소 실재론을 통해 설명할 수 없는 상관관계가 발견됐고, 즉, 이는 국소적 실재론으로는 설명할 수 없는

양자 얽힘. 즉, 측정하기 이전 미리 정해진 상태를 가지고 있지 않았다 !  는 뜻.

 

 

 

# 쇼어 알고리즘과 그로버 알고리즘

RSA 암호화는 공개키. 즉 두 소수를 곱한 값을 알고 있다. 근데 이 암호를 풀려면 공개키 즉 어떤 소수가 곱해져서 키 값이 된건지를 알아하는데, 곱하는 건 쉽지만 매우 큰 값을 소인수분해하는 건 어렵다 ! 근데 양자컴퓨팅으론 이런 값을 쉽게 소인수분해해버릴수도 !! → 쇼어 알고리즘. 그래서 암호체계를 양자컴퓨터가 무너뜨릴 수 있는 것.

 

 

---

 

 

양자 노이즈 모델 (Quantum Noise Models)

연구에서 다루게 될 구체적인 노이즈의 종류 서칭. QEM은 이 노이즈 패턴을 학습하거나 역연산하여 오류를 줄임.

• 비트 플립 (Bit Flip): 0이 1로, 1이 0으로 뒤집히는 오류 (X 게이트 오류와 유사).
• 위상 플립 (Phase Flip): 0과 1의 위상 관계가 뒤집히는 오류 (Z 게이트 오류와 유사).
• 탈분극 오류 (Depolarizing Error): 큐비트가 일정 확률로 완전히 무작위한 상태가 되는 오류.
• 측정 오류 (Readout/Measurement Error): 연산은 잘 되었으나, 마지막에 0을 1로, 1을 0으로 잘못 읽는 오류.

 

 

NISQ 시대와 QEM의 필요성

 

• NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum): 현재 우리가 살고 있는 '잡음이 있는 중간 규모 양자 컴퓨터' 시대를 말합니다. 큐비트 수는 50~수백 개 수준이지만, 오류 정정(Error Correction)을 완벽히 수행하기에는 큐비트가 부족하고 노이즈가 많습니다.
• QEM (Quantum Error Mitigation): 완벽한 오류 정정(QEC) 대신, **후처리(Post-processing)**나 알고리즘적 기법을 통해 오류를 완화하여 유의미한 결과를 얻어내는 기술