과학하고 앉아있네 <물리학자들> S8E10 축구의 물리학, 양자 정보와 양자 컴퓨터

1. 정보와 물리학
모든 정보는 물리계를 거쳐 처리된다.
물리학 법칙이 정보처리의 근본 성능을 결정한다.
소리는 빛보다 훨씬 느리다

2. “Information is physical”
cf) Maxwell 도깨비 (daemon):
정보 삭제는 열을 발생시킨다
R. Landauer

3. 정보와 물리학
모든 정보는 물리계를 거쳐 처리된다.
물리학 법칙이 정보처리의 근본 성능을 결정한다.
양자정보학
양자정보학 = 양자물리학 + 정보학 (통신 및 컴퓨터)
고전정보학 = 고전물리학 + 정보학 (통신 및 컴퓨터)
양자물리학은 고전물리학과 굉장히 다르다.

4. 많은 사람들이 문을 통과하면,
한 번에 한 문만 통과
(일상 경험)
두 문을 동시 통과
(양자 중첩)

5. 양자 상태 또는 양자 중첩 (양자 확률, 양자 역학)
두 문을 동시 통과
(양자 중첩)
|ψ⟩ = ψL |L⟩ + ψR |R⟩
= ψ↑ | ↑ ⟩ + ψ↓ | ↓ ⟩
= ψH |H⟩ + ψV |V⟩
= ψg |g⟩ + ψe |e⟩

6. 양자 중첩 (양자 상태):
모든 가능성이 공존한다.

7. 다양한 가능성 공존으로 동시에 일처리 가능

8. 확률 현상이라, 확인은 필수이다.
관측 (측정)
측정할 때까지
한 번에 한 입자를 보낸다.
다양한 가능성이 공존하지만,
관측하면, 단일 가능성으로 귀착한다.
하지만, 확인이 필요하다 (관측)

9. 입자 집단은 파동이 될 수 있다
양자 현상 규명 위해, 단일 입자의 반복 측정 필요.

10. 확률 현상이라, 확인은 필수이다.
관측 (측정)
측정할 때까지
한 번에 한 입자를 보낸다.
한 지점에서만 측정됨.
다양한 가능성이 공존하지만,
관측하면, 단일 가능성으로 귀착한다.
하지만, 확인이 필요하다 (관측)

11. 확률 현상이라, 확인은 필수이다.
관측 (측정)
측정할 때까지
한 번에 한 입자를 보낸다.
한 지점에서만 측정됨.
반복 측정 후
간섭 무늬 발생
다양한 가능성이 공존하지만,
관측하면, 단일 가능성으로 귀착한다.
하지만, 확인이 필요하다 (관측)

12. 확률 현상이라, 확인은 필수이다.
관측 (측정)
측정할 때까지
한 번에 한 입자를 보낸다.
한 지점에서만 측정됨.
반복 측정 후
간섭 무늬 발생
다양한 가능성이 공존하지만,
관측하면, 단일 가능성으로 귀착한다.
하지만, 확인이 필요하다 (관측)

13. 누군가 지켜보면 (상호작용), 양자 중첩은 사라진다.
주변 환경으로부터 보호해야 한다.
또한,

14. 새로운 규칙이 발생한다. 고전 현상에서는 불가능.
양자 컴퓨팅 등 양자 정보학은 이 새로운 양자 규칙들을 활용한다.
그럼에도 불구하고,

15. 고전 규칙: 논리학(Boolean algebra). 예) 조건 명제:
왼쪽 문 통과 왼쪽 줄 무늬
오른쪽 문 통과 오른쪽 줄 무늬
고전 확률 표현:
(왼쪽 문 왼쪽 줄)과 (오른쪽 문 오른쪽 줄)만 가능하다.
양자 규칙
추가 규칙: 고전 규칙에서 불가능.
(중첩 중앙 줄) 등이 추가된다.
양자 정보학: 양자 규칙을 활용.
a → b
→
→
P(a → b)
→ →
→
양자 규칙 vs 고전 규칙
고전 규칙 양자 규칙

16. 비유를 들자면,
터널
고전 경로 (고전 규칙):
돌아가는 길
양자 경로 (양자 규칙):
양자 중첩으로 발생한 터널을
지나갈 수 있다.
양자 규칙 vs 고전 규칙

17. 양자 규칙: 예

18. 가정
변수
조건
문제: 다음이 성립할 확률은?
GHZ 정리 (Greenberger-Horne-Zeilinger Theorem))
p(abc = 1) =
X
b,c=±1
p( bc, b, c)
p(a1b2c2 = 1) = 1
p(a2b1c2 = 1) = 1
p(a2b2c1 = 1) = 1
ai, bj, ck 2 { 1, +1}
a1b1c1 = 1
a1b2c2 = 1
a2b1c2 = 1
a2b2c1 = 1
a1b1c1(a2b2c2)2
= 1
a1b1c1 = 1
고전 해: 100%

19. 가정
변수
조건
문제: 다음이 성립할 확률은?
양자 해: 0%도 가능
p(abc = 1) =
X
b,c=±1
p( bc, b, c)
p(a1b2c2 = 1) = 1
p(a2b1c2 = 1) = 1
p(a2b2c1 = 1) = 1
ai, bj, ck 2 { 1, +1}
a1b1c1 = 1
a1b2c2 = 1
a2b1c2 = 1
a2b2c1 = 1
a1b1c1(a2b2c2)2
= 1
a1b1c1 = 1
고전 해: 100%
GHZ 정리 (Greenberger-Horne-Zeilinger Theorem))

20. 가정
변수
조건
문제: 다음이 성립할 확률은?
양자 해: 0%도 가능 (임의의 확률이 모두 가능)
p(abc = 1) =
X
b,c=±1
p( bc, b, c)
p(a1b2c2 = 1) = 1
p(a2b1c2 = 1) = 1
p(a2b2c1 = 1) = 1
ai, bj, ck 2 { 1, +1}
a1b1c1 = 1
a1b2c2 = 1
a2b1c2 = 1
a2b2c1 = 1
a1b1c1(a2b2c2)2
= 1
a1b1c1 = 1
고전 해: 100%
GHZ 정리 (Greenberger-Horne-Zeilinger Theorem))

21. 다양한 후보군
광자 큐비트
초전도체 큐비트 포획 이온 큐비트
양자점 반도체 큐비트

22. 요약
물리학 법칙이 정보처리 성능을 결정한다.
양자정보학은 양자 물리학과 정보학의 융합 분야이다.
양자 물리학은 보편적인 이론
양자 현상
무작위성 (예측 가능하지 않다)
양자 중첩 (양자 간섭: 고전 이론으로 예측 불가한 간섭을 한다)
양자 규칙 (양자 물리학 법칙에 따른 추가 규칙이 있다)
양자 정보처리는 양자 규칙을 활용한다.