큐비트(Qubit)란?
양자 컴퓨터에서 정보를 나타내는 단위. |0⟩과 |1⟩의 중첩 α|0⟩ + β|1⟩ 상태를 취할 수 있으며, 측정하면 확률 |α|²로 0, |β|²로 1이 얻어진다. 초전도 회로, 이온, 중성 원자, 실리콘 속 전자의 스핀, 광자 등으로 실현된다. 양자 비트라고도 한다.
일본어 명칭: 量子ビット
큐비트(Qubit)은(는) 양자 컴퓨터의 하드웨어 등 1개 분야의 연습 문제 34개에 나와요.
분야: 양자 컴퓨터의 하드웨어
상태의 표현과 측정
하나의 큐비트 상태는 α|0⟩ + β|1⟩로 쓸 수 있으며, α와 β는 |α|² + |β|² = 1을 만족하는 복소수(확률 진폭)입니다. 측정하면 확률 |α|²로 0, |β|²로 1이 얻어지고, 상태는 얻어진 결과 쪽으로 바뀝니다. 1회의 측정으로는 확률 자체를 알 수 없으므로, 같은 회로를 여러 번 반복하여(샷이라고 부릅니다) 결과의 비율로부터 추정합니다. 확률이 0.5일 때 1만 회 반복해도 추정값의 표준 편차는 약 0.5% 남습니다. 상태는 블로흐 구 위의 점으로 나타낼 수 있으며, 양자 게이트의 조작은 그 구의 회전에 해당합니다.
n큐비트와 2ⁿ개의 진폭
n개 큐비트의 상태에는 2ⁿ개의 확률 진폭이 있으며, 50큐비트에서는 약 10¹⁵개가 됩니다. 이를 배정밀도 복소수로 고전 컴퓨터에 저장하면 약 18 PB가 필요하며, 큐비트가 1개 늘 때마다 2배가 됩니다. 다만 측정으로 얻어지는 것은 n비트뿐이며, 진폭을 모두 읽어 낼 수는 없습니다. 양자 알고리즘은 간섭에 의해 올바른 답의 진폭을 키우고, 틀린 답의 진폭을 상쇄하도록 설계됩니다.
물리적인 실현 방법
초전도 회로(트랜스몬)에서는 약 5 GHz의 두 에너지 준위를 큐비트로 하고, 10 mK 정도까지 냉각하여 동작시킵니다. 이온 트랩이나 중성 원자에서는 원자의 에너지 준위를, 실리콘 스핀 큐비트에서는 양자점에 가둔 전자의 스핀 방향을, 광양자 방식에서는 광자의 편광이나 지나가는 경로 등을 사용합니다. 어느 방식이든 큐비트의 수뿐만 아니라 게이트의 오류율, 결맞음 시간, 큐비트끼리의 연결 방식이 성능을 결정합니다. 오류 정정에서는 많은 물리 큐비트로 하나의 논리 큐비트를 만듭니다.
도전해 보기: 큐비트(Qubit) 관련 문제
큐비트에 대한 설명으로 올바른 것은?
- A0과 1의 중간 전압을 유지하는 아날로그 기억 소자로, 읽어 내면 중간 값이 그대로 얻어진다
- B|0⟩과 |1⟩의 중첩 상태를 취할 수 있으며, 측정하면 확률적으로 0과 1 중 어느 한쪽이 얻어진다
- C0과 1을 동시에 유지하고 있으므로, 1회의 측정으로 0과 1 두 값을 모두 읽어 낼 수 있다
정답과 해설 보기
정답: B. |0⟩과 |1⟩의 중첩 상태를 취할 수 있으며, 측정하면 확률적으로 0과 1 중 어느 한쪽이 얻어진다
큐비트의 상태는 α|0⟩ + β|1⟩로 쓸 수 있으며, α와 β는 |α|² + |β|² = 1을 만족하는 복소수(확률 진폭)입니다. 측정하면 확률 |α|²로 0, 확률 |β|²로 1이 얻어지고, 상태는 얻어진 결과 쪽으로 바뀝니다. 중첩은 '0과 1의 중간 값'이 아니며, 측정으로 얻어지는 것은 항상 0과 1 중 어느 한쪽입니다. 1회의 측정으로 얻어지는 정보는 1비트뿐이며, α와 β의 값 자체를 직접 읽어 낼 수는 없습니다.
큐비트가 (√3/2)|0⟩ + (1/2)|1⟩ 상태에 있을 때, 측정하여 1이 얻어질 확률은?
- A25%
- B50%
- C75%
정답과 해설 보기
정답: A. 25%
측정으로 1이 얻어질 확률은 |1⟩의 확률 진폭의 절댓값의 제곱으로, (1/2)² = 1/4 = 25%입니다. 0이 얻어질 확률은 (√3/2)² = 3/4 = 75%이며, 둘의 합은 100%가 됩니다. 진폭 1/2을 그대로 확률로 생각하면 50%로 잘못 답하게 됩니다.
자주 묻는 질문
n개의 큐비트에서는 몇 비트의 정보를 꺼낼 수 있나요?
측정으로 꺼낼 수 있는 고전적인 정보는 최대 n비트입니다. 2ⁿ개의 진폭을 유지하고 있어도 그것을 전부 읽어 낼 수는 없습니다. 양자 컴퓨터의 속도는 많은 정보를 읽어 낼 수 있다는 데서가 아니라, 간섭을 이용해 답에 도달하는 절차의 수를 줄일 수 있다는 데서 생깁니다.
물리 큐비트와 논리 큐비트의 차이는 무엇인가요?
물리 큐비트는 장치에 실제로 만들어 넣은 하나하나의 큐비트입니다. 논리 큐비트는 양자 오류 정정에 의해 많은 물리 큐비트를 묶어 오류에 강하게 만든 하나의 큐비트입니다. 표면 코드에서는 하나의 논리 큐비트에 수백 개 이상의 물리 큐비트가 필요한 경우가 있습니다.
해설 속 큐비트(Qubit)
큐비트의 상태는 α|0⟩ + β|1⟩로 쓸 수 있으며, α와 β는 |α|² + |β|² = 1을 만족하는 복소수(확률 진폭)입니다.
큐비트에 대한 설명으로 올바른 것은?블로흐 구에서는 하나의 큐비트 상태 cos(θ/2)|0⟩ + e^{iφ} sin(θ/2)|1⟩를 구면 위의 점(위도에 해당하는 각도 θ와 경도에 해당하는 각도 φ)으로 나타냅니다.
하나의 큐비트 상태를 블로흐 구로 나타냈을 때, 적도 위의 점이 나타내는 상태는?n개 큐비트의 상태는 |00…0⟩부터 |11…1⟩까지 2ⁿ가지 기저 상태의 중첩이며, 각각에 하나씩 확률 진폭이 있습니다.
10개의 큐비트로 이루어진 계의 일반적인 상태를 나타내는 데 필요한 확률 진폭(복소수)의 수는?큐비트가 1개 늘 때마다 용량은 2배가 되어, 30큐비트라면 약 17 GB로 충분하지만 40큐비트에서 약 18 TB가 되고, 50큐비트에서는 최대급 슈퍼컴퓨터로도 상태 벡터를 그대로 유지하기 어려워집니다.
50큐비트의 상태 벡터(모든 확률 진폭)를 1개당 16바이트의 배정밀도 복소수로 고전 컴퓨터의 메모리에 저…각 큐비트만 보면 0과 1이 50%씩 나오지만, 결과끼리에는 서로 독립인 두 비트로는 설명할 수 없는 상관이 있으며, 이것이 양자 얽힘입니다.
두 큐비트가 (|00⟩ + |11⟩)/√2의 양자 얽힘 상태에 있을 때의 설명으로 올바른 것은?
큐비트(Qubit)이(가) 나오는 문제 (34)
- 큐비트에 대한 설명으로 올바른 것은?
- 큐비트가 (√3/2)|0⟩ + (1/2)|1⟩ 상태에 있을 때, 측정하여 1이 얻어질 확률은?
- 하나의 큐비트 상태를 블로흐 구로 나타냈을 때, 적도 위의 점이 나타내는 상태는?
- 10개의 큐비트로 이루어진 계의 일반적인 상태를 나타내는 데 필요한 확률 진폭(복소수)의 수는?
- 50큐비트의 상태 벡터(모든 확률 진폭)를 1개당 16바이트의 배정밀도 복소수로 고전 컴퓨터의 메모리에 저장할 때, 필요한 용량에 가장 가까운 것은?
- 두 큐비트가 (|00⟩ + |11⟩)/√2의 양자 얽힘 상태에 있을 때의 설명으로 올바른 것은?
- 1큐비트 X 게이트의 작용으로 올바른 것은?
- |0⟩ 상태의 큐비트에 아다마르(H) 게이트를 1회 작용시킨 뒤 측정했을 때, 1이 얻어질 확률은?
- 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?
- |0⟩의 큐비트에 H, Z, H의 순서로 게이트를 작용시킨 뒤 측정했을 때, 1이 얻어질 확률은?
- 큐비트의 에너지 완화 시간 T1에 대한 설명으로 올바른 것은?
- 큐비트의 위상 완화 시간 T2와 에너지 완화 시간 T1의 관계로 올바른 것은?
- 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?
- 양자 컴퓨터의 성능을 큐비트의 수만으로 비교할 수 없는 이유로 가장 적절한 것은?
- 초전도 큐비트(트랜스몬)가 큐비트로 동작하기 위해 빼놓을 수 없는 소자는?
관련 용어
트랜스몬(Transmon) 조셉슨 접합(Josephson Junction) 양자 얽힘(Quantum Entanglement) 희석 냉동기(Dilution Refrigerator) 이동도 표면 코드(Surface Code) 이온 트랩(Ion Trap) 양자 게이트(Quantum Gate) 시정수 결어긋남(Decoherence)