한국어
메뉴

양자 컴퓨터의 하드웨어

큐비트의 중첩과 측정, 양자 얽힘, X·H·Z·CNOT 등 양자 게이트의 계산, T1·T2와 게이트 충실도, 양자 오류 정정과 표면 코드, 초전도(트랜스몬)·이온 트랩·중성 원자·실리콘 스핀·광양자의 각 방식, 희석 냉동기와 제어·판독 회로를 객관식 문제로 학습합니다. 쇼어 알고리즘과 양자 내성 암호도 다룹니다.

10문제 연습하기이 분야에서 무작위 10문제 · 약 5분 이 분야 연습하기이 분야의 모든 문제를 무작위 순서로 풀어요 취약 문제최근에 틀린 문제만 다시 풀어요

양자 컴퓨터의 하드웨어: 핵심 정리

양자 컴퓨터는 0과 1의 중첩이나 양자 얽힘을 이용해 계산하는 장치입니다. 그 성능은 큐비트의 수만으로 정해지지 않으며, 게이트의 오류율, 양자적인 상태를 유지할 수 있는 시간(결맞음 시간), 큐비트끼리의 연결 방식, 그리고 오류를 고치기 위한 양자 오류 정정에 얼마나 많은 큐비트를 쓸 수 있는지로 정해집니다.

큐비트의 상태와 측정 확률, 양자 게이트에 의한 상태 변화를 작은 계산으로 확인한 다음, T1·T2나 충실도, 표면 코드와 임계값의 사고방식을 학습합니다. 나아가 조셉슨 접합을 쓰는 초전도 큐비트, 이온 트랩, 중성 원자, CMOS 제조 기술을 활용할 수 있는 실리콘 스핀 큐비트, 광양자의 각 방식의 장단점, 10 mK 정도까지 냉각하는 희석 냉동기, 마이크로파에 의한 제어와 분산 판독, 크라이오 CMOS와 배선의 열 등 대규모화를 향한 하드웨어의 과제를 다룹니다. 쇼어 알고리즘이 공개 키 암호를 위협하는 이유와 그 대책으로서의 양자 내성 암호도, 하드웨어에 요구되는 규모와의 관계에서 학습합니다.

양자 컴퓨터의 하드웨어 전체 문제 (40)
  1. 큐비트에 대한 설명으로 올바른 것은?
  2. 큐비트가 (√3/2)|0⟩ + (1/2)|1⟩ 상태에 있을 때, 측정하여 1이 얻어질 확률은?
  3. 하나의 큐비트 상태를 블로흐 구로 나타냈을 때, 적도 위의 점이 나타내는 상태는?
  4. 10개의 큐비트로 이루어진 계의 일반적인 상태를 나타내는 데 필요한 확률 진폭(복소수)의 수는?
  5. 50큐비트의 상태 벡터(모든 확률 진폭)를 1개당 16바이트의 배정밀도 복소수로 고전 컴퓨터의 메모리에 저장할 때, 필요한 용량에 가장 가까운 것은?
  6. 두 큐비트가 (|00⟩ + |11⟩)/√2의 양자 얽힘 상태에 있을 때의 설명으로 올바른 것은?
  7. 1큐비트 X 게이트의 작용으로 올바른 것은?
  8. |0⟩ 상태의 큐비트에 아다마르(H) 게이트를 1회 작용시킨 뒤 측정했을 때, 1이 얻어질 확률은?
  9. 2큐비트의 |00⟩(왼쪽이 첫 번째 큐비트)에 대해 첫 번째에 H 게이트를 작용시키고, 이어서 첫 번째를 제어 비트, 두 번째를 표적 비트로 하는 CNOT 게이트를 작용시켰다. 얻어지는 상태는?
  10. |0⟩의 큐비트에 H, Z, H의 순서로 게이트를 작용시킨 뒤 측정했을 때, 1이 얻어질 확률은?
  11. 양자 오류 정정에서 고전적인 오류 정정처럼 '같은 데이터를 3개 복사하여 다수결을 취하는' 방법을 그대로 쓸 수 없는 이유로 올바른 것은?
  12. 큐비트의 에너지 완화 시간 T1에 대한 설명으로 올바른 것은?
  13. 큐비트의 위상 완화 시간 T2와 에너지 완화 시간 T1의 관계로 올바른 것은?
  14. 1회당 충실도가 99.5%(오류율 0.5%)인 2큐비트 게이트를 100회 연속으로 사용하는 회로에서, 오류가 각각 독립적으로 일어난다고 할 때, 도중에 한 번도 오류가 일어나지 않을 확률에 가장 가까운 것은?
  15. 양자 컴퓨터의 성능을 큐비트의 수만으로 비교할 수 없는 이유로 가장 적절한 것은?
  16. 초전도 큐비트(트랜스몬)가 큐비트로 동작하기 위해 빼놓을 수 없는 소자는?
  17. 초전도 큐비트를 희석 냉동기로 10~20 mK 정도까지 냉각하여 동작시키는 주된 이유는?
  18. 플랑크 상수를 h = 6.63×10⁻³⁴ J·s, 볼츠만 상수를 k_B = 1.38×10⁻²³ J/K로 한다. 주파수 5 GHz인 초전도 큐비트에서 |0⟩과 |1⟩의 에너지 차 hf를 온도로 환산한 값 hf/k_B에 가장 가까운 것은?
  19. 주파수 5 GHz(hf/k_B ≈ 0.24 K)인 큐비트가 유효 온도 50 mK의 열평형에 있을 때, |1⟩과 |0⟩에 있을 확률의 비 exp(−hf/k_B T)에 가장 가까운 것은?
  20. |0⟩→|1⟩의 전이 주파수가 5.0 GHz, 비조화성(|1⟩→|2⟩의 주파수에서 |0⟩→|1⟩의 주파수를 뺀 값)이 −200 MHz인 트랜스몬에서, |1⟩→|2⟩의 전이 주파수는?
  21. 초전도 큐비트의 에너지 완화 시간 T1을 제한하는 요인 중, 박막 증착이나 표면 처리 등의 제조 공정과 특히 관계가 깊은 것은?
  22. 공진 주파수에 맞춘 마이크로파 펄스로 큐비트를 회전시킬 때, 라비 주파수(|0⟩과 |1⟩ 사이를 한 번 왕복하는 주파수)가 10 MHz였다. |0⟩에서 |0⟩과 |1⟩의 진폭 크기가 같은 중첩을 만드는 π/2 펄스의 길이는?
  23. 초전도 큐비트의 판독에 널리 쓰이는 분산 판독의 구조로 올바른 것은?
  24. 초전도 큐비트의 판독에서, 주파수가 서로 다른 여러 판독용 공진기를 하나의 전송 선로에 연결하는 주파수 다중화가 쓰이는 주된 목적은?
  25. 10 mK 단에서 1 µW의 열을 퍼내어 300 K로 버릴 때, 카르노 한계에서 필요한 최소 일률에 가장 가까운 것은?
  26. 큐비트의 제어 회로를 4 K 안팎에서 동작시키는 크라이오 CMOS의 설계에서 고려해야 할, 저온에서의 MOSFET 특성 변화로 올바른 것은?
  27. 이온 트랩 방식 양자 컴퓨터의 특징으로 올바른 것은?
  28. 초전도 방식과 이온 트랩 방식을 비교한 설명으로 가장 적절한 것은?
  29. 중성 원자 방식 양자 컴퓨터의 설명으로 올바른 것은?
  30. 실리콘 스핀 큐비트가 대규모화에 적합한 방식으로 기대되는 주된 이유는?
  31. 실리콘 스핀 큐비트에 동위 원소 ²⁸Si의 비율을 높인(동위 원소 농축한) 실리콘이 쓰이는 이유로 올바른 것은?
  32. 광자를 큐비트로 쓰는 광양자 방식의 특징으로 올바른 것은?
  33. 부호 거리 d인 회전형 표면 코드에서는 하나의 논리 큐비트에 데이터용 물리 큐비트 d²개와, 오류를 조사하는 측정용 물리 큐비트 d² − 1개를 사용한다. d = 15일 때 하나의 논리 큐비트에 필요한 물리 큐비트의 수는?
  34. 표면 코드의 논리 오류율 p_L이 물리 오류율 p, 임계값 p_th, 부호 거리 d를 사용하여 p_L ∝ (p/p_th)^((d+1)/2)로 근사할 수 있다고 하자. p = 0.1%, p_th = 1%일 때, d를 5에서 9로 키웠을 때의 논리 오류율의 비(d = 5일 때의 값 ÷ d = 9일 때의 값)에 가장 가까운 것은?
  35. NISQ라고 불리는 양자 컴퓨터의 설명으로 올바른 것은?
  36. 정렬 순서에 규칙이 없는 100만 건의 데이터에서 조건에 맞는 1건을 찾을 때, 그로버 알고리즘으로 필요한 질의(오라클 호출) 횟수의 차수로 가장 가까운 것은?
  37. 대규모 오류 내성 양자 컴퓨터가 실현되었을 때, 쇼어 알고리즘에 의해 안전성이 크게 손상될 것으로 생각되는 암호는?
  38. 2020년대 중반 시점의 양자 컴퓨터로 RSA-2048을 쇼어 알고리즘으로 해독할 수 없는 주된 이유로 가장 적절한 것은?
  39. 양자 내성 암호(포스트 양자 암호, PQC)의 설명으로 올바른 것은?
  40. 대규모 양자 컴퓨터가 아직 실현되지 않은 단계에서부터 양자 내성 암호로의 이행을 서두르는 이유로 가장 적절한 것은?

소자의 다른 분야