양자 컴퓨터에서의 양자 관측, 어떻게 이루어질까?

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양자 얽힘(Quantum Entanglement)

 

쉬뢰딩거의 고양이 실험에서처럼 관측 전까지는 여러 상태가 중첩되어 있다가 관측하는 순간 하나의 상태로 결정되는 현상, 과연 양자 컴퓨터에서는 어떻게 구현될까요?

 

양자 관측이란 무엇인가?

먼저 '관측'이라는 단어가 주는 오해를 풀어봅시다. 양자역학에서 말하는 관측은 우리가 생각하는 '눈으로 본다'는 의미의 주관적인 행위가 아닙니다. 양자역학에서 관측은 '측정(measurement)'을 의미하며, 이는 물리적인 장치를 통해 양자 상태의 정보를 얻는 객관적인 과정입니다.

즉, 사람의 의식이나 주관적 관념이 양자 상태에 영향을 미치는 것이 아니라, 측정 장치와 양자 시스템 간의 물리적 상호작용이 양자 상태를 변화시키는 것입니다.

양자 컴퓨터에서의 측정 구현 방법

양자 컴퓨터에서 측정은 어떻게 구현될까요? 양자 컴퓨터는 큐비트(qubit)라는 양자 비트를 사용하는데, 이 큐비트의 상태를 측정하는 방법은 구현 기술에 따라 다릅니다.

1. 이온트랩 방식

이온트랩 방식에서는 이온(또는 원자)을 사용하여 큐비트를 구현합니다. 전자가 특정 궤도에 있을 때를 |0>, 다른 궤도에 있을 때를 |1>로 정의합니다. 측정 과정은 다음과 같습니다:

• 이온 전체에 레이저를 쏘면, '1' 상태로 설정된 이온들만 광자(빛)를 내뿜게 됩니다.
• 이 광자를 감지함으로써 어떤 큐비트가 1 상태인지 알 수 있습니다.
• 광자를 내뿜는 이유는 에너지가 높은 상태에서 낮은 상태로 내려갈 때 그 에너지 차이가 빛으로 방출되기 때문입니다.

쉽게 말하면, "불이 켜진 이온은 1, 꺼진 이온은 0"이라고 생각할 수 있습니다!

2. 초전도체 방식

초전도체 방식에서는 두 개의 초전도체 사이에 부도체를 끼워 넣어 인공적인 원자와 같은 시스템을 만듭니다. 이 시스템도 이온트랩과 마찬가지로 에너지 레벨의 차이를 이용해 0과 1을 구분합니다.

측정은 이 시스템의 에너지 상태를 읽어내는 방식으로 이루어집니다. 초전도 큐비트의 상태를 읽기 위해 마이크로파 신호를 보내고 반응을 측정합니다.

양자 컴퓨터의 측정 장비

양자 컴퓨터에서 측정은 다음과 같은 장비들을 통해 이루어집니다:

1. DCS (DC Source)
   • 직류 전압을 공급하여 큐비트가 정상적으로 동작할 수 있도록 바이어스 전압을 설정하거나, 특정 조건을 맞추는 역할을 합니다.
2. AWG (Waveform)
   • **임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator)**로, 큐비트를 제어하기 위한 펄스나 파형을 생성합니다.
   • 큐비트에 원하는 연산을 가하기 위해 시간적·주파수적으로 정밀한 제어 신호를 출력합니다.
3. MWS (Microwave)
   • 마이크로파 소스로, 큐비트 상태를 전환(예: |0> ↔ |1>)하거나 측정에 필요한 고주파 신호를 제공합니다.
   • 보통 초전도 큐비트 등에서 특정 에너지를 주어 상태를 바꾸는 데 사용합니다.
4. Qubit
   • 실제 양자 연산을 수행하는 핵심 소자입니다.
   • 그림에서 DCS, AWG, MWS에서 나오는 세 가지 신호(DC, 펄스, 마이크로파)를 받아 상태가 변하거나 유지됩니다.
5. Quantum Amplifier
   • 큐비트에서 나오는 매우 작은 신호(양자 신호)를 증폭해주는 장치입니다.
   • 측정 과정에서 발생하는 노이즈를 최소화하면서, 미세 신호를 고전적으로 인식할 수 있는 수준까지 키워줍니다.
6. Measurement
   • 최종적으로 증폭된 신호를 측정해, 큐비트의 상태(예: |0> 또는 |1>)를 고전적인 데이터로 읽어냅니다.

 

이러한 장비들은 매우 정밀하게 제어되어야 하며, 양자 상태의 미세한 변화를 감지할 수 있어야 합니다.

 

 

관측은 주관적인 것이 아니다

양자역학에서 종종 오해되는 부분이 바로 '관측자의 의식이 양자 상태에 영향을 미친다'는 것입니다. 하지만 실제로는 그렇지 않습니다.

양자 현상은 고전 현상과는 다르지만, 둘 다 객관적입니다. 관측자의 주관성이 실험 결과에 영향을 미친다는 '마음 효과'나 '관찰자 효과'는 없습니다. 만약 그런 효과가 있다면, 실험 결과는 재현될 수 없을 것입니다.

양자 시스템에서는 주어진 결과의 확률만 계산할 수 있고, 측정을 많이 수행하면 그 결과는 예측과 일치합니다. 이는 주사위를 던져서 특정 숫자가 나올 확률을 예측하는 것과 유사합니다.

 

양자 컴퓨터에서의 측정은 사람의 주관적인 관념이나 의식과는 무관한, 물리적 장치를 통한 객관적인 과정입니다. 다양한 기술(이온트랩, 초전도체 등)을 통해 큐비트의 상태를 측정하고, 이를 통해 양자 연산의 결과를 얻습니다.