집적회로 한계 극복, 양자컴퓨터

 

Prologue, 무어의 법칙 폐기?

 무어의 법칙이 폐기되었습니다. 반도체 집적도를 끌어올리기 위해서는 여러가지 조건이 필요한데, 그 중에서도 어려운 것은 집적도 증가에 따른 에너지소모율과 이에 따른 발열 제어 등이 있습니다. 이러한 한계에 의해서 반도체 업계가 무어의 법칙을 더 이상 유지하기 힘들다고 판단, 스스로 폐기하여 최근 논란이 되었습니다. ^[각주:1] 

 따라서 우리는 집적회로 기반의 컴퓨터 프로세서는 성능의 향상이 앞으로 더디게 일어날 것이라 예측할 수 있습니다. 암달의 법칙^[각주:2]에 의해 병렬프로세싱을 통한 성능향상에도 한계가 존재하겠지요. 

 집적회로의 한계를 극복할 차세대 컴퓨팅 기술이 바로 양자컴퓨팅입니다. 양자의 원리를 이용하여 이진 논리회로가 아닌 다중비트를 동시에 처리할 수 있어 혁신적인 성능 향상을 기대할 수 있습니다. 그래서 오늘은 양자컴퓨터의 주요 개념에 대해서 정리해볼까 합니다.

 

양자컴퓨터란?

- 양자의 중첩, 양자 얽힘, 양자 텔레포테이션 등의 양자역학의 원리를 응용하여 Qubit 연산단위를 기반으로 다수 비트를 동시에 처리가능한 고성능 차세대 컴퓨터

- Qubit: Quantum bit, 두 가지 상태를 동시에 가진(양자 중첩) 양자의 성질을 이용해 2개 정보를 동시에 처리 가능, 50qubit이면 2^50bit를 동시에 처리 가능

 

양자컴퓨터의 핵심 구현 원리

출처: 한겨레, 양자시대, 이론에서 현실로…‘광속’ 세상 오는 걸까

<양자컴퓨터 원리>

양자 분리

- 전자기파 등을 이용해 단일 양자를 분리하는 기술

양자 결맞음 유지

- 양자를 제어해 다수 양자가 서로 간섭현상으로 인해 일정한 파동을 생성해내는 기술

- 양자 결맞음을 통해 양자 연산

 

양자컴퓨터의 유형

아날로그 방식

사진: https://m.blog.naver.com/msnayana/220183143778

<양자어닐링>

양자 어닐링 방식

- 초전도체를 이용해 절대 0도^[각주:3]에 가까운 환경을 만들고 주변 간섭을 차단한 상태에서 양자 핸들링

- 전류를 이용해 양자를 회전시켜 간섭현상을 발생시키고 결맞음 유지

- 양자 어닐링^[각주:4]: 복잡한 수학함수의 전역최소값을 찾기 위한 기술

- D-wave Systems 의 양자어닐링 방식 양자컴퓨터 상용화

- 특정 분야 특화 연산

레이저 네트워크 방식

- 상온에서 광자를 이용해 컴퓨팅

- 양자 뉴럴 네트워크 통해 결과 산출

- 일본 주도

- 특정 분야 특화 연산

디지털 방식

양자 게이트 방식

- 범용 연산 목적 양자컴퓨팅

- IBM주도, MS, Google 등 개발 주력

- 초전도체를 이용해 극저온을 유지하고 이온트랩 방식, 광자 이용방식 등으로 양자 게이트 구현

- 초전도체, 이온트랩, 광자등을 이용하는 다수 방식이 존재

 

양자컴퓨터 관련 동향

- D-Wave Systems 의 양자컴퓨터 상용화, 2017년에는 2000Qubit의 D-wave 2000Q 출시

- 아날로그 방식 양자컴퓨팅은 1000Qubit이 넘는 양자 컴퓨팅이 가능하나 특수목적 컴퓨팅만이 가능(2019.02 현재)

- 아날로그 방식 양자컴퓨팅은 Qubit 연산 결과를 클래식 컴퓨팅 플랫폼에서 해석하는 방식으로 진정한 양자컴퓨팅이 아니라는 비판도 존재

- 디지털 방식 양자컴퓨팅은 클래식 컴퓨팅 플랫폼을 온전히 대체하는 것이 목적이며 49Qubit 이상일 경우 현재 슈퍼컴퓨터를 능가하는 성능 가능

- IBM에서 20Qubit의 디지털방식 양자컴퓨터 상용화

 

양자컴퓨터 관련 콘텐츠

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양자 컴퓨터의 기반이 되는 양자역학의 원리

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1. 반도체 업계 스스로가 무어의 법칙에 따라 반도체를 출시하였다는 것도 흥미로운 점입니다. [본문으로]
2. 프로그램은 병렬처리가 가능한 부분과 불가능한 순차적인 부분으로 구성되므로 프로세서를 아무리 병렬화 시켜도 더 이상 성능이 향상되지 않는 한계가 존재 한다는 법칙 [본문으로]
3. 섭씨로는 −273.15 °C에 해당하며, 화씨로는 −459.67 °F에 해당 [본문으로]
4. 2^n 비트 동시 연산 결과인 qubit 값에 대한 해석을 위해 사용할 것으로 추측. 정확하지 않을 수 있습니다. [본문으로]

 

이 포스트는 IT토픽의 주요 내용과 핵심 키워드를 간략히 설명하는 것이 목적으로, 디테일한 내용에 대해서는 깊이 다루지 않습니다.