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1. 양자컴퓨터 어널링 방식(Quantum Annealing)
- 정의: 어널링 방식은 최적화 문제를 풀기 위해 양자역학의 양자 터널링과 양자 상태의 진화를 활용하는 양자컴퓨팅 방식입니다. 시스템을 특정 초기 상태에서 시작해 점진적으로 바꾸며 가장 낮은 에너지 상태(최적 해)를 찾는 것이 핵심입니다.
- 작동 원리:
- 문제를 물리적 시스템의 에너지 상태로 변환.
- 양자 터널링을 통해 에너지 장벽을 뛰어넘으며 글로벌 최소값(최적 상태)을 찾음.
- 이를 위해 양자 비트(큐비트) 간의 상호작용을 조정.
- 특징:
- 특정 문제, 특히 조합 최적화 문제에서 높은 효율을 발휘.
- 범용성이 낮고, 다른 계산에는 한계가 있음.
- 대표 기술:
- D-Wave Systems가 어널링 방식을 상용화한 대표적 회사.
- 예: 물류 경로 최적화, 스케줄링 문제, 포트폴리오 최적화.
2. 양자컴퓨터 게이트 방식(Gate-based Quantum Computing)
- 정의: 게이트 방식은 범용 양자 알고리즘을 실행하기 위해 양자 논리 게이트를 사용해 큐비트 상태를 조작하는 방식입니다. 고전 컴퓨터의 논리 게이트 개념을 확장한 것으로, 이론적으로 모든 계산이 가능(양자 튜링 완전성).
- 작동 원리:
- 큐비트를 초기화하고, 여러 양자 논리 게이트(예: Hadamard, CNOT)를 통해 상태를 변화시킴.
- 결과적으로 양자 얽힘과 중첩을 활용해 계산을 수행.
- 특징:
- 매우 높은 범용성으로 다양한 문제에 적용 가능.
- 소인수 분해(Shor 알고리즘), 데이터베이스 검색(Grover 알고리즘), 화학 시뮬레이션 등에 활용.
- 계산 과정이 복잡하며, 에러 교정이 중요.
- 대표 기술:
- IBM, Google, Rigetti 등이 개발 중.
- Google의 Sycamore는 양자우위(Quantum Supremacy)를 입증한 사례.
두 방식에 대해 글로 대한 설명으로 이해하기 어려울거 같아 예시를 하나 준비했습니다.
아래 그림은 D-Wave Systems에서 어널링 방식에 대한 설명을 위한 예시입니다.
"1억 원의 예산으로 가장 이상적인 집을 짓기 위해 각 항목(재료, 인건비 등)을 어떻게 배분해야 할까?"
즉 어널링 방식은 여러 가능성을 빠르게 탐색하며, 예산 내에서 최적의 집을 지을 방법을 찾으며 과정보다는 결과를 더 중요시 생각한다고 보면 됩니다.
게이트 기반 방식에 대한 예시입니다.
"집을 짓기 위해 설계부터 시공까지 모든 과정을 차례대로 진행하며 정확히 수행해야 한다."
게이트 방식은 구체적인 설계 및 실행 과정을 하나하나 따라가는 데 초점이 있어 단계별로 완벽히 진행해야 최종 결과가 나옵니다. 즉 게이트 방식은 결과보다 과정을 더 중요시합니다.
3. 어널링 방식과 게이트 방식의 차이점
| 어널링 방식 | 게이트 방식 |
| 목적 | 최적화 문제 해결 | 범용 계산 가능 |
| 작동 원리 | 에너지 상태의 점진적 안정화로 최적 해 탐색 | 양자 논리 게이트 조합으로 연산 수행 |
| 적용 분야 | 물류, 스케줄링, 조합 최적화 문제 | 암호학, 데이터 검색, 화학 시뮬레이션 등 |
| 대표 기업 | D-Wave | IBM, Google, Rigetti |
| 범용성 | 낮음 | 높음 |
| 현재 상용화 수준 | 이미 상용화된 사례 존재 | 초기 상용화 단계 및 연구 진행 중 |
| 에러 교정 필요성 | 상대적으로 낮음 | 높음 |
4. 현재 기술 발전 현황
어널링 방식:
- 이미 상용화된 사례가 있음.
- D-Wave Systems는 5000개 이상의 큐비트를 가진 시스템을 출시했으며, 기업 및 연구기관에서 물류, 금융, 최적화 문제 해결에 활용.
- 한계:
- 최적화 문제 외의 범용 계산에는 한계가 있으며, 성능이 기존 고전 알고리즘보다 항상 우수하다고 보장되지 않음.
게이트 방식:
- 기술 개발이 활발히 진행 중이며, IBM, Google 등 주요 기업들이 연구를 선도.
- Google은 2019년 Sycamore로 53큐비트를 사용해 양자우위를 입증(기존 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸리는 문제를 200초 만에 해결).
- IBM은 양자 볼륨이라는 성능 지표를 도입하고 상용화를 위한 클라우드 서비스 제공.
- 한계:
- 에러율이 높아 큐비트 수가 늘어날수록 계산 정확도 유지가 어려움.
- 에러 교정 기술이 완성되기까지 시간이 필요.
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