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집에서 (쓸모없는) 양자컴퓨터를 만들었어요

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작성자 bryanai 작성일 24-09-13 15:42 조회 135 댓글 0

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집에서 (쓸모없는) 양자컴퓨터를 만들었어요

https://www.youtube.com/watch?v=muoIG732fQA

이 영상에서는 양자 컴퓨터의 개념과 제작 과정을 다룹니다. 제작자는 자신이 만든 매우 작고 실용적이지 않은 양자 컴퓨터를 소개하며, 큐비트의 역할과 양자 컴퓨터의 작동 원리를 설명합니다. 큐비트는 전통적인 비트와 달리 여러 상태를 가질 수 있으며, 빛을 사용해 큐비트를 만들고 처리합니다. 빛의 상태는 편광에 따라 달라지며, 빛의 수평과 수직 상태를 결합해 다양한 큐비트를 형성할 수 있습니다.

영상에서는 방해석을 사용해 큐비트 간의 상태를 변경하는 방법을 설명하고, 이를 통해 빛의 상태를 변환하는 계산 과정을 시연합니다. 양자 컴퓨터는 빛의 상태를 조정하고, 마지막 단계에서 측정을 통해 결과를 얻습니다.

이건 제가 직접 만든 양자 컴퓨터입니다. 너무 작아서 전혀 쓸모가 없지만, 기술적으로는 양자 컴퓨터입니다. 제가 이걸 만든 이유는 양자 컴퓨팅에 대한 박사 학위를 전부 마쳤지만, 실제로 본 적이 없었기 때문입니다. 그리고 제가 본 모든 사진은 미친 우주 시대처럼 생긴 기계 장치였습니다.

양자 컴퓨터는 실제로 핵심적으로 그렇게 복잡하지 않습니다. 그래서 실제로 만드는 방법을 알아내는 동안 여러분에게 설명하려고 생각했습니다. 이 작업을 시작하기 위해 몇 가지 아이디어가 있었고, 건강에 해로울 정도로 큰 수정과 레이저 컬렉션도 있었습니다. 그래서 이게 얼마나 어려울 수 있을까 생각했습니다. 이론적으로 양자 컴퓨터는 매우 간단합니다.

첫 번째 부분에서는 큐비트라고 불리는 것들이 있습니다. 이 경우, 저는 빛을 사용하여 큐비트를 만들 것입니다. 선택할 수 있는 다른 많은 것들이 있지만, 빛은 집에서 할 수 있는 가장 쉬운 일입니다. 보통 좋은 양자 컴퓨터의 경우, 큐비트가 많이 있을 것입니다.

적어도 20개는 되어야 존경받을 만합니다. 하지만 저는 하나만 가질 겁니다. 왜냐하면 그게 모든 것을 훨씬 더 쉽게 만들어 줄 테니까요. 하지만 그래서 이 양자 컴퓨터는 기술적으로는 양자 컴퓨터이기는 하지만 꽤 쓸모가 없을 겁니다. 이 첫 번째 단계에서 우리는 단계를 빠져나갈 빛이 특정 상태에 있는지 보장하고 싶습니다.

그러니까 제가 말하고자 하는 것은 이 레이저에서 나올 때 빛이 여러 가지 다른 상태에 있을 수 있다는 것입니다. 하지만 우리는 여기에 모든 다른 유형을 걸러내는 작은 필터를 넣을 것입니다. 하나를 제외하고요. 그래서 여기로 들어오는 빛이 특정 상태라는 것을 보장합니다.

그리고 우리는 그 상태가 무엇인지 알고 있지만, 계산 단계에서 일어날 일은 그 빛 상태가 변할 것이라는 것입니다. 그리고 우리가 그것을 하는 방법은 이 방해석을 사용하는 것입니다. 내가 어떤 계산을 하려는지에 따라 방해석의 두께를 바꿀 수 있고, 방향도 바꿀 수 있습니다.

그리고 저는 다른 방향에 있는 다른 것도 추가할 수 있습니다. 큐비트가 두 개 이상 있는 양자 컴퓨터에서는 제가 감당할 수 있는 것보다 더 멋진 수정이 필요할 것입니다. 예를 들어, BBO라고 하는 것이 있습니다. 이 경우 두 큐비트가 들어오고 나가지만 그 후에 나오는 빛은 얽힘이라는 특정 상태에 있습니다.

그래서 이 두 큐비트는 이제 서로 얽혀 있습니다. 하지만 솔직히 저는 BBO 크리스털을 살 여유가 없고, 살 수 있다 하더라도 걱정할 필요가 없습니다. 그것들은 다루기가 정말 정말 어렵기 때문에 방해석을 고수하겠습니다. 좋습니다. 우리의 빛은 우리가 아는 상태에서 시작해서, 이 계산 단계를 거쳐 어떤 식으로든 바뀌고, 마지막 단계는 정말 간단합니다.

우리는 빛이 어떻게 변했는지에 대한 무언가를 알아내려고 노력할 것입니다. 우리는 빛이 지금 무엇을 하고 있는지 정확히 알아낼 수 없을 것이지만, 적어도 빛에 대한 유용한 정보를 알아낼 수 있을 것입니다. 높은 수준에서, 그것이 양자 컴퓨터의 전부입니다. 하지만 여러분은 이것이 컴퓨터와 어떻게 비슷한지 궁금할 것입니다. 글쎄요, 컴퓨터도 0과 1의 형태로 입력을 받아서 어떤 식으로든 변환합니다.

예를 들어, 더하는 데 도움이 되는 컴퓨터 프로그램을 상상해 보세요. 두 개의 숫자를 입력하면 0과 1로 해석되고, 그런 다음 표준 더하기 알고리즘과 같이 처리하기 시작합니다. 첫 번째 단계는 가장 오른쪽 숫자를 더하는 것입니다. 두 번째 단계는 다음 두 숫자를 더하고, 오버플로가 있으면 다음 열에 넣는 식입니다.

그러면 새로운 처리된 비트 세트가 답입니다. 이와 비슷한 방식으로 양자 컴퓨터는 어떤 상태의 빛의 큐비트를 가져와서 처리하여 새로운 상태를 제공합니다. 양자 알고리즘은 다음과 같습니다. 먼저 이 수정을 이 각도에 놓고, 그런 다음 다른 멋진 수정을 넣은 다음, 마지막에 나오는 것이 당신이 찾던 답입니다.

하지만 우리의 표준 컴퓨터로 돌아가면, 숫자를 더하는 것 이상의 일을 할 수 있습니다. 예를 들어, 숫자를 곱하거나, 진동하는 전자의 이미지를 렌더링하거나, 정말 원하는 대로 할 수 있습니다. 마찬가지로, 양자 컴퓨터는 정확히 무엇을 계산하고 싶은지에 따라 다양한 빛 처리를 할 수 있는 것입니다.

다음 영상에서 양자 컴퓨터가 실제로 무엇을 계산하는지에 대한 질문으로 돌아가겠지만, 지금으로서는 이 설정이 빛을 여러 가지 다른 방식으로 변환할 수 있다는 것을 보여주는 것이 목표입니다. 네, 그게 바로 양자 컴퓨터입니다. 그러니까, 여기서는 고차원에서 일어나는 일이지만, 큐비트가 정확히 무엇인지부터 세부 사항으로 들어가보죠. 큐비트를 만들기 위해 알아야 할 모든 것이 여기에 있습니다.

빛의 전부는 이 전자와 같은 대전된 입자를 괴롭히는 것입니다. 그러니까 제가 말하고자 하는 것은 이것입니다. 빛이 온다고 상상해 보세요. 저는 이것을 이렇게 표현했습니다. 빛이 이 전자를 지날 때, 이 작은 것들은 이 빛 때문에 전자가 느낄 힘을 나타내야 하기 때문입니다.

그래서 이 빛이 먼저 이 전자를 위아래로 밀고, 그다음 위아래로 밀고 있는 것을 볼 수 있습니다. 그래서 빛이 지나갈 때, 전자는 빛의 방향과 수직으로 흔들릴 것입니다. 하지만 우리는 3차원 공간에 살고 있기 때문에 빛은 이 불쌍한 전자를 괴롭히는 측면에서 다양한 옵션을 갖게 됩니다.

그래서 한 가지 옵션은 빛이 이렇게 배향되어 있다는 것입니다. 즉, 빛이 지나갈 때 전자가 위아래로 흔들립니다. 하지만 우리는 어쨌든 빛을 이렇게 배향할 수 있습니다. 즉, 전자가 앞뒤로 흔들립니다. 하지만 다른 방향일 수도 있습니다.

그러니까, 전자를 여기에 두고 빛이 이렇게 향하면, 수평 편광 빛이라고 부르고, 이렇게 방향이 정해진 빛은 수직 편광 빛이라고 부르고, 그 사이에 모든 옵션이 있습니다. 그러니까 빛이 이렇게 생겼다면, 빛의 상태를 이렇게 쓸 수 있을 겁니다.

좋아요, 그럼 제가 약간의 빛을 가지고 있고 그것이 특정 상태, 예를 들어 이 상태에 있다면, 이것은 큐비트입니다. 이제 여러분은 이것이 비트와 무슨 상관이 있는지 궁금할 것입니다. 비트는 두 가지 가능한 상태만 가질 수 있습니다. 0 상태일 수도 있고 1 상태일 수도 있습니다. 반면에 이것은 무한한 수의 상태를 가집니다.

그럼, 이 상태에서 두 가지가 있는 건 어디인가요? 사실 이 상태에서 두 가지가 있습니다. 그리고 제가 이 두 가지를 가지고, 이건 수평으로, 이건 수직으로 배치되어 있다고 가정하고, 이 둘을 합치면, 제가 원하는 다른 유형의 빛을 만들 수 있습니다. 여기 레이저 포인터 두 개가 있는데, 이건 수평 편광된 빛만 내고, 이건 수직 편광된 빛만 냅니다.

그리고 제 주장은 이 두 레이저를 결합하면 실제로 원하는 다른 큐비트를 얻을 수 있다는 것입니다. 하지만 그것은 단지 결합하는 방법에 달려 있습니다. 예를 들어, 어느 것이 더 강한지, 그리고 이 두 레이저가 얼마나 동기화되거나 동기화되지 않았는지입니다. 수평 상태를 빛의 0 상태로, 수직 상태를 1 상태로 생각하면 사람들이 큐비트가 동시에 0과 1이라고 말할 때 무슨 뜻인지 알 수 있습니다.

어떤 유형의 조명이든 항상 0 부분과 1 부분으로 구성되어 있다고 생각할 수 있지만, 조명은 더 수평적이거나 더 수직적일 수 있으며, 그럴 경우 0에 가깝거나 1에 가깝습니다. 하지만 기억해야 할 중요한 점은 0과 1을 더하면 모든 조명 상태를 만들 수 있다는 것입니다.

이제 정말 명확하지 않으니, 증명해 보도록 하죠. 정말 원하는 빛이 이런 종류의 45도 빛이라고 가정해 봅시다. 그러면 원래 이 방향으로 밀고 결국 저 방향으로 밀게 되는 빛입니다. 제가 가지고 있는 이 방향과 이 방향으로 배치된 두 개의 빛을 합치면 어떻게 될까요? 수평 편광 빛과 수직 편광 빛을 동시에 비추면 어떻게 될까요?

처음에, 이건 이 방향으로 밀고, 이건 위쪽으로 밀고 있습니다. 그래서 전체적으로 이 전자가 오른쪽 위로 밀리는 것과 같고, 바로 우리가 이 빛이 하기를 원했던 것입니다. 그래서 이 두 가지를 동시에 비추면 45도 편광으로 빛이 나오는 것을 볼 수 있습니다.

그건 옳지 않을 겁니다. 왜냐하면 이 두 가지 빛을 그냥 피한다면, 비록 그것이 올바른 방향일지라도, 너무 강한 것을 얻을 것이기 때문입니다. 그래서 둘 다 어느 정도 낮출 필요가 있습니다. 그리고 이 두 가지 요소는 둘 다 얼마나 낮출 것인지를 나타낼 뿐입니다.

그 숫자가 맞는지 알아내려면 삼각법을 조금 해야 하지만, 그렇게 큰 문제는 아닙니다. 요점은 수평과 수직 빛을 합치면 45도의 빛이 나오는데, 바로 이것이 원하는 것입니다. 하지만 대신 큐비트가 다른 상태에 있기를 바란다고 가정해 보겠습니다.

예를 들어, More like this를 보면, 이게 대부분 위쪽이지만 약간 오른쪽으로 치우쳐 있습니다. 실제로 이렇게 하려면 이전처럼 두 개의 조명을 합치되 수평적인 조명을 훨씬 약하게 하면 됩니다. 다시 말해, 수평 방향으로 들어오는 조명의 강도를 문자 그대로 낮추는 것입니다.

그래서 이제 전자는 오른쪽으로 매우 약하게 밀려나지만, 위쪽으로 훨씬 더 강하게 밀려날 것입니다. 그래서 전체적으로는 이 방향으로 밀려날 것이고, 바로 우리가 원했던 것입니다. 다시 말해서, 이것은 작은 숫자여야 하고, 이것은 더 큰 숫자여야 합니다. 좋아요, 그렇게 하면 되지만, 훨씬 더 까다로운 것이 있습니다.

내가 원하는 큐비트가 이 방향으로 가는 빛이라면 어떨까? 지금 내가 원하는 것은 처음에는 여전히 올바른 방향으로 가다가 위로 밀어 올리는 대신 실제로 아래로 밀어 올리는 빛이다. 가능할까? 글쎄, 가능하다. 왜냐하면 이것이 내 두 개의 빛줄기라면, 지금까지 나는 둘 다 일종의 최대 강도로 시작하는 경우를 고려해 왔기 때문이다.

하지만 이전처럼 수평 구성 요소를 최대 강도로 시작하고, 이것을 최대 강도로 위로 밀어 올리는 대신 아래로 밀어 올리는 것으로 시작하면 어떨까요? 이제 제가 원하는 것을 정확히 얻었습니다. 이 빛은 오른쪽으로 밀어 올릴 것입니다.

이것은 아래로 밀고 가므로 전체적인 효과는 마치 그 방향으로 밀고 가는 것과 같습니다. 이 빛을 거꾸로 뒤집어야 하기 때문에, 음, 방정식에서 표현할 방법은 이것을 음수로 표현하는 것입니다. 이 같은 빛 상태에 대해 생각할 수 있는 또 다른 방법이 있는데, 이는 나중에 영상에서 정말 유용할 것입니다.

그럼 이전과 마찬가지로 수평 및 수직 조명으로 시작해 봅시다. 하지만, 이제 서로 완벽하게 동기화되도록 시작하겠습니다. 이제 이것이 위로 밀면 오른쪽으로 밀립니다. 이는 우리가 원하는 것이 아닙니다. 그러면 아래로 밀면서 동시에 오른쪽으로 밀리는 원하는 유형의 조명을 어떻게 얻을 수 있을까요? 이 두 개의 조명을 서로 동기화되지 않게 옮겨서 여기 있게 하는 건 어떨까요?

그래서 지금은 서로 완벽하게 동기화가 안 되어 있고, 이 빛은 오른쪽으로 밀 때 아래로 밀리는 것을 볼 수 있는데, 바로 우리가 원했던 것입니다. 그래서 빛에 대한 또 다른 생각은 수평과 수직이 얼마나 많은지에 대한 것이 아닙니다. 또한 얼마나 동기화되어 있거나 동기화가 되어 있지 않은지에 대한 것입니다.

좋아요, 이제 원하는 모든 편광의 빛, 즉 원하는 큐비트를 이 상태와 이 상태의 빛을 결합하고 A와 B를 조정함으로써 얻을 수 있는 이유를 간단히 설명드렸습니다. A와 B는 두 레이저의 상대 강도이자 두 레이저의 동기화 정도를 나타내는 지표입니다.

그러니까, 이게 당신의 큐비트입니다. 수평 상태는 일종의 0 상태와 같고, 수직 상태는 1과 같습니다. 하지만 이게 실제로 비트와 같은지 궁금할 수 있습니다. 비트는 정보를 포함하고 있기 때문입니다. 여기에 정보가 어디에 있습니까? 글쎄요, 정보가 있습니다. 특정 상태에 있는 약간의 빛이 있고 그 상태가 무엇인지 말해주지 않으면 A와 B가 무엇인지 알 수 없기 때문입니다.

하지만 나중에 그 상태가 무엇인지 알게 되면 A와 B를 알게 되고 무언가를 배운 셈이 됩니다. 그래서 그런 식으로 정보가 큐비트에 인코딩됩니다. 하지만 비트 내부에 들어 있는 정보보다 훨씬 더 많은 정보가 있다는 것을 알 수 있습니다. 비트가 무엇인지 알아내려면 0인지 1인지만 알면 되기 때문입니다. 반면 a와 b가 될 수 있는 것에 대한 옵션은 훨씬 더 많습니다.

그리고 어떤 면에서 큐비트는 비트보다 훨씬 더 많은 정보를 담고 있습니다. 그 정보를 꺼낼 수 있는지는 또 다른 문제지만, 확실히 거기에는 더 많은 정보가 인코딩되어 있습니다. 모든 양자 계산의 첫 번째 단계는 큐비트를 원하는 상태에서 시작하는 것입니다.

지금까지 저는 수평광과 수직광을 정확히 올바른 방식으로 결합하는 것이 그 방법이라고 말해왔습니다. 하지만 실제로는 정말, 정말 어려운 방법이며, 음, 우리가 전혀 할 수 있는 방법이 아닐 것입니다. 이 레이저가 얼마나 동기화되어 있는지 또는 동기화되지 않았는지 판단하기가 정말 어렵기 때문입니다.

예를 들어, 동기화를 위해 정확히 적절한 시간에 시작해야 하는데, 그건 사실상 불가능합니다. 그래서 우리가 할 방법은 대신 이 플라스틱 조각을 사용하는 것입니다. 이 플라스틱 조각은 편광 필름이라고 하며 별로 대단해 보이지 않지만 이렇게 하면 무슨 일이 일어나는지 보세요.

이렇게 놓고 천천히 돌리면 점점 어두워지다가 최대 어두워진 다음 다시 점점 밝아지는 것을 볼 수 있습니다. 과학 수업에서 이런 걸 봤을 수도 있고, 음, 저는 분명히 봤지만, 이 영상을 조사할 때야 작동 원리를 이해했고, 정말 똑똑합니다.

그래서 본질적으로, 이것은 긴 플라스틱 폴리머 분자로 만들어졌습니다. 모두 서로 정렬되어 있습니다. 여기에는 많은 것이 있고 모두 같은 방향을 향하고 있습니다. 이것은 특정 편광에 대한 필터 역할을 하기 때문에 빛에 정말 흥미로운 효과를 줍니다. 방법을 보여드리겠습니다.

재료 속의 폴리머 중 하나를 이렇게 표현해 봅시다. 그리고 거기에는 전자가 잔뜩 들어 있을 겁니다. 그런데, 우리가 항상 전자에 대해 이야기하는 이유는 전자가 일반적으로 양성자보다 훨씬 더 자유롭기 때문입니다. 음, 양성자는 더 무겁고 핵에 묶여 있어서 움직일 가능성이 별로 없습니다.

반면 전자는, 특히 이 외각 전자처럼, 상당히 움직일 수 있습니다. 그래서 전기장이 물질을 통과할 때 무슨 일이 일어나는지에 대해 이야기할 때, 전자에 무슨 일이 일어나는지에 대해 이야기하는 것이 더 유용합니다. 제가 이 전자를 가지고 있고 실제로 약간의 빛이 와서 전자에 부딪힌다고 가정해 보겠습니다.

이제 빛이 이 방향으로 향하고 있다면, 전자는 위아래로 힘을 느낍니다. 그리고 그것은 꽤 이동성이 있기 때문에, 그것은 위아래로 움직일 수 있는 긴 분자를 가지고 있습니다. 하지만 그것은 이 빛이 와서 이 물질에 부딪히면, 여기 있는 모든 전자가 꽤 흔들리고, 그 모든 장거리 움직임은, 음, 빛의 에너지가 낭비된다는 것을 의미합니다.

그래서 이 빛의 에너지는 통과하기 전에 소모됩니다. 그래서 이 편광의 빛이 그 물질을 통과하지 못하는 것입니다. 반면에 빛이 분자의 방향과 수직이라면 어떻게 될까요? 글쎄요, 이 경우 전자는 이 방향으로 움직일 수 있기를 원합니다.

하지만 실제로는 안 돼요. 분자가 그 방향으로 그렇게 크지 않은 것처럼 꼼짝 못해요. 그래서 전혀 움직이지 않아요. 즉, 이 방향으로 들어오는 빛의 에너지는 실제로 전자로 가지 않고, 전자는 실제로 아무것도 하지 않아요.

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https://www.youtube.com/watch?v=muoIG732fQA 12회 연결

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