고전 컴퓨터와 양자 컴퓨터의 아키텍처에 사용하는 물리 이론의 차이

출처 : Productizing Quantum Computing: Bring Quantum Computing Into Your Organization

 

고전 컴퓨터

 

1. Von Neumann 아키텍처

이 프레임워크는 컴퓨터의 메모리, 처리 장치 및 입력/출력 시스템이 상호 작용하는 방식을 정의합니다.

2. Boolean logic

기존 컴퓨터의 기초는 Boolean 대수학입니다. 이는 이진 변수 및 AND, OR, NOT과 같은 논리 연산을 사용하는 수학적 프레임워크입니다.

3. 결정론적 특성

고전 물리학은 본질적으로 결정론적이므로 시작 조건을 완전히 이해하면 시스템이 미래에 무엇을 할 것인지 100% 확실하게 예측할 수 있습니다. 기본적인 물리적 원리를 기반으로 하는 기존 컴퓨터는 결정론적이므로 입력을 기반으로 계산 결과를 정확하게 예측할 수 있습니다.

4. 트랜지스터

디지털 회로의 기본 구성 요소인 트랜지스터는 논리 게이트를 생성하는 데 사용됩니다. 이는 각각 이진수 1과 0을 나타내는 ON과 OFF의 두 가지 가능한 상태를 가짐으로써 작동합니다.

5. 신호 전송

고전 컴퓨터의 신호 전송(와이어의 전기 신호)은 Maxwell 방정식과 옴의 법칙에 기원을 둔 고전 전자기 법칙을 따릅니다.

6. 데이터 저장 장치

하드 드라이브와 SSD는 기존 컴퓨터에 사용되는 두 가지 유형의 저장 장치로 전자기 및 고전 역학의 개념을 사용하여 작동합니다.

7. 재료 및 제조

반도체 장치에 사용되는 실리콘과 같은 고전적인 컴퓨터 구성에 사용되는 재료는 고체 물리학을 포함한 고전 물리학의 원리를 기반으로 합니다.

8. 오류 수정

계산 중에 발생할 수 있는 오류는 고전적인 오류 수정 코드를 사용하여 수정됩니다. 이러한 코드는 고전 정보 이론의 원리에 따라 작동합니다.

 

 

반면 양자 컴퓨터는 작은 규모의 물질과 에너지의 행동을 지배하는 양자역학에 따라 제작되고 설계되었습니다. 

양자 컴퓨터를 구축하고 운영하는 데 사용되는 기본 양자 원리에 대해 논의해 보겠습니다.

 

1. De Vincenzo의 기준

양자 컴퓨터는 De Vincenzo의 기준이라는 특정 기준을 충족하도록 설계되었습니다. 이 기준은 기능적인 양자 컴퓨터를 구축하는 데 필요한 최소 요구 사항을 강조합니다.

 

2. 확률론적 특성

이는 양자 시스템의 측정과 관련된 불확실성을 정의합니다. 

 

3. 정보 인코딩

양자 컴퓨터는 반드시 트랜지스터를 사용하지 않고 전자나 photon과 같은 기본 입자로 정보를 인코딩할 수 있습니다.

4. qubit 간 통신

qubit 간의 상호 작용은 양자 시스템마다 다른 방식으로 이루어집니다. 예를 들어, 초전도 시스템에서는 마이크로파 공진기를 통해 상호 작용이 이루어집니다. 갇힌 이온 qubit 시스템에서는 공유 진동 모드를 통해 상호 작용이 이루어집니다. 

 

5. 데이터 저장

보조 큐비트 상태는 알고리즘의 다음 단계에서 데이터를 사용하기 전에 데이터를 잠시 보관하는 데 사용되며, 양자 계산 중에 중간 결과를 저장하는 데 사용할 수 있습니다. 

 

6.양자 오류 수정

noise-less 양자 컴퓨터를 구현하는 것이 주요 과제이며, fault-tolerant 양자 컴퓨터를 개발하기 위한 연구가 진행 중입니다. 논리적 큐비트를 얽힌 상태로 인코딩하는 양자 오류 수정 코드가 사용됩니다.