양자컴퓨터의 원리(중첩, 얽힘, 큐비트)를 모두 보여주는 그래픽. 파란색 유리컵에 동전의 앞면(1)과 뒷면(0)이 공존하는 공이 들어 있다(중첩). 이 공들은 유리컵을 벗기는 순간 동전으로 바뀐다(큐비트 구현). 공들이 동전으로 바뀔 확률은 서로 얽혀 있다(빨간색 화살표: 얽힘). 이 공들이 동전으로 잘 바뀌게 종합적으로 제어(검은색 화살표: 결맞음 유지)하면 양자컴퓨터가 탄생한다.

양자컴퓨터의 원리(중첩, 얽힘, 큐비트)를 모두 보여주는 그래픽. 파란색 유리컵에 동전의 앞면(1)과 뒷면(0)이 공존하는 공이 들어 있다(중첩). 이 공들은 유리컵을 벗기는 순간 동전으로 바뀐다(큐비트 구현). 공들이 동전으로 바뀔 확률은 서로 얽혀 있다(빨간색 화살표: 얽힘). 이 공들이 동전으로 잘 바뀌게 종합적으로 제어(검은색 화살표: 결맞음 유지)하면 양자컴퓨터가 탄생한다.

양자컴퓨터를 알려면 ‘중첩’과 ‘얽힘’ 개념을 이해해야 한다. 양자컴 연산 기본단위는 0과 1이 공존하는 큐비트다. 공을 북반구와 남반구로 나눠 동전의 앞면(1) 뒷면(0)을 각각 붙이고 유리컵을 덮었다고 하자. 이 공은 1과 0이 ‘중첩’돼 있다. 공이 어떻게 어떤 방향으로 있는지는 모른다(하이젠베르크의 불확정성의 원리). 다만 공의 상태는 수학적 도구로 표현이 가능하다. 반지름이 1인 구형 3차원 공간에서 복소수(실수+허수)값으로 표현된다.

유리컵 A, B로 덮인 공 a, b가 두 개 있다고 하자. 유리컵 A에 레이저를 쏘면 B까지 영향을 받아 공 a와 b가 동전으로 바뀔 확률이 서로 영향을 주고받는다. 이것이 ‘얽힘’이다. B를 컨트롤하지 않았는데도 저절로 연산이 수행된 것이다. 이런 컨트롤이 잘 이뤄지는 것을 ‘결맞음’이라고 한다. 디지털 양자컴퓨터 논리회로의 기본인 ‘C-NOT(컨트롤하지 않은) 게이트’ 개념이다. 고전 컴퓨터의 범용 논리회로에 대응하는 회로다.

이해성 기자 ihs@hankyung.com

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