트랜지스터의 온/오프 상태로 표현되는 비트를 사용하여 정보를 처리하는 기존 컴퓨터와 달리, 양자 컴퓨터는 양자 비트(또는 큐비트)를 사용하여 정보를 저장하고 조작합니다. 큐비트는 고전 물리학이 아닌 양자 역학의 법칙에 따라 작동하므로 양자 프로세서가 근본적으로 다른 방식으로 작동할 수 있습니다. 양자 컴퓨터에서는 정보가 큐비트의 양자 상태에 인코딩되며, 큐비트는 중첩 원리를 통해 여러 상태의 조합으로 존재할 수 있습니다. 큐비트는 또한 얽힘을 통해 서로 상관 관계를 가질 수 있습니다.

이러한 양자 특성은 양자 컴퓨터가 기존 머신으로는 효율적으로 해결하기 어렵거나 불가능한 특정 문제를 해결할 수 있도록 합니다. 큐비트는 본질적으로 양자 정보 처리의 기반을 형성하는 독특하고 강력한 특성을 가진 양자 2준위 시스템입니다. 큐비트는 초전도 회로, 트랩 이온, 중성 원자, 통합 포토닉스 및 실리콘 기반 스핀 시스템을 포함한 다양한 양자 플랫폼을 사용하여 물리적으로 구현될 수 있으며, 각 플랫폼은 확장 가능한 양자 프로세서를 구축하는 데 다른 이점을 제공합니다.

기존 컴퓨터에서 정보는 이진법으로 저장되고 처리됩니다. 즉, 단일 비트는 "0" 또는 "1"의 두 가지 값만 나타낼 수 있습니다. 트랜지스터의 "온" 또는 "오프" 상태로 정보가 표현되는 기존 비트와 달리, 큐비트는 "0" 또는 "1" 상태에만 국한되지 않습니다. 실제로는 동시에 두 상태 모두에 있을 수 있습니다. 이러한 현상은 양자 물리학의 근본적인 개념인 중첩으로 알려져 있습니다. 수학적으로 우리는 큐비트 상태(특정 물리적 구현과 무관하게)를 블로흐 구(Bloch sphere)라고 알려진 단위 구의 한 점으로 나타낼 수 있으며, 여기서 기저 상태 0은 "북극"에, 여기 상태 1은 "남극"에 위치합니다. 이러한 중첩 상태는 얽힘으로 알려진 현상에서 전체 큐비트 레지스터에 걸쳐 확장될 수도 있으며, 이는 양자 프로세서 장치(QPU)가 기존 장치에 비해 계산상의 이점을 갖도록 하는 데 필요한 요소입니다. QPU가 나타낼 수 있는 양자 상태의 수는 2N으로 확장됩니다.

양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터에 비해 향상된 성능은 암호화 및 사이버 보안, 신약 개발 및 재료 과학 및 설계, 공급망 최적화, 인공 지능 및 머신 러닝, 기후 모델링 및 에너지, 전산 화학 및 물리학, 금융 서비스를 포함한 여러 산업 분야의 응용 분야로 이어집니다.

많은 실용적인 사용 사례에서 양자 처리 장치(QPU)는 특수 시뮬레이션 가속기로 간주될 수 있습니다. 기존 컴퓨터를 대체하기보다는 복잡한 양자 시스템 시뮬레이션 또는 방대한 솔루션 공간 탐색과 같이 기존 방식으로는 해결하기 어려운 특정 단계를 실행하기 위해 기존 워크플로에 통합될 가능성이 높습니다. 이러한 하이브리드 접근 방식은 양자 및 기존 시스템이 함께 작동하여 각 시스템의 강점을 극대화할 수 있도록 합니다.

기존 컴퓨팅 오류는 일반적으로 하나 이상의 비트가 예기치 않게 뒤집히면서 발생합니다. 이러한 비트 플립을 수정하고 시스템을 예상 상태로 되돌리기 위한 오류 수정 전략이 개발되었습니다. 오늘날, 고전적인 컴퓨팅 오류 수정은 일반적으로 불필요하며, 오류가 치명적일 수 있거나 컴퓨터가 우주 임무와 같이 오류가 발생하기 쉬운 환경에 있을 때 사용됩니다.

디코히어런스(decoherence)라고 알려진 양자 코히어런스 손실은 양자 중첩이 측정될 때 고전적 상태로 붕괴되면서 발생합니다. 이는 관찰자에 의한 의도적인 측정인지 환경의 노이즈로 인한 것인지에 관계없이 발생합니다. 양자 시스템은 그 차이를 구분할 수 없습니다. 디코히어런스의 존재로 인해 양자 컴퓨터를 구축하는 양자 엔지니어는 다음 사항을 해결해야 합니다.

1. 큐비트 레지스터는 전자기적으로나 열적으로 환경으로부터 격리되어야 하며, 불필요한 에너지 교환을 피해야 합니다.
2. 큐비트 작동(즉, 단일 및 2큐비트 게이트)은 디코히어런스 시간에 비해 빨라야 합니다.
3. 큐비트 측정(판독)은 빨라야 하며 양자 상태를 변경해서는 안 됩니다(비파괴).

큐비트 코히어런스 시간 측정은 모든 양자 연구소의 초석 중 하나입니다. 이는 큐비트 자체의 품질과 차폐, 양자 게이트를 사용하여 작동되는 방식, 그리고 큐비트 판독의 특성에 대한 중요한 정보를 제공합니다.

중첩과 얽힘의 고유한 특성은 컴퓨팅, 통신 및 센싱과 같은 양자 애플리케이션에서 이전에 상상할 수 없었던 성능을 가능하게 합니다. 중첩은 양자 역학의 확률적 특성에서 발생하며 시스템이 관찰되거나 측정되지 않는 한 지속됩니다. 측정이 발생하면 양자 상태는 단일하고 확정적인 결과로 붕괴됩니다. 이 동작은 블로흐 구를 사용하여 시각화할 수 있으며, 여기서 큐비트의 상태는 단위 구 표면의 한 점에 해당합니다. 초전도 큐비트의 경우, 측정은 일반적으로 북극과 남극을 연결하는 z축을 따라 수행됩니다. 어느 한 극의 상태는 확정적인 결과(0 또는 1)를 산출하는 반면, 적도상의 상태는 두 값 중 하나를 측정할 동일한 확률을 초래합니다.

얽힘은 큐비트 간에 강력한 상관관계를 설정함으로써 이러한 기능을 더욱 증폭시켜, 각 큐비트의 상태가 다른 큐비트와 독립적으로 설명될 수 없도록 합니다. 이러한 상호 연결성은 양자 연산이 고도로 조정된 방식으로 여러 큐비트에 동시에 작용하도록 허용하며, 올바른 결과를 향상시키고 잘못된 결과를 억제하는 간섭 효과를 생성합니다. 양자 처리 장치(QPU)의 컴퓨팅 능력은 이러한 집단적 행동에서 비롯됩니다. N개의 얽힌 큐비트 레지스터는 2ᴺ 계수로 설명되며, 시스템이 기하급수적으로 큰 가능성의 공간을 한 번에 표현하고 조작할 수 있도록 합니다. 결과적으로 양자 알고리즘은 많은 잠재적 솔루션을 병렬로 탐색할 수 있으며, 특정 유형의 문제에 대해 고전적인 접근 방식보다 극적인 효율성 향상을 제공합니다.

여러 주요 기술 기업들이 이제 양자 우위를 시연했습니다. 이는 고전 슈퍼컴퓨터로는 사실상 불가능한 문제를 양자 컴퓨터가 해결할 수 있는 능력입니다. 양자 알고리즘은 복잡한 몬테카를로 시뮬레이션을 실행하는 데 필요한 처리 시간을 대폭 단축하며, 이전에 관리할 수 없었던 변수를 고려할 수 있는 고도로 정교한 위험 평가를 가능하게 합니다.

범용 양자 컴퓨팅은 아직 요원하지만, 특수 양자 프로세서는 이미 비즈니스 운영에 직접적인 영향을 미치는 상업적으로 관련성 있는 애플리케이션을 위한 최적화 문제를 해결하고 있습니다. 독점적인 접근 방식을 통해 양자 우위를 지속 가능한 경쟁 차별화 요소로 확립하는 데 최소 5년이 걸릴 것으로 예측됩니다.

양자 통신은 양자 역학 원리를 사용하여 정보를 전송하는 방법으로, 정보의 안전한 전송을 가능하게 합니다. 양자 통신은 양자 키 분배(QKD), 양자 텔레포테이션 및 양자 얽힘을 포함한 다양한 방법을 통해 달성될 수 있습니다. 전송을 가로채거나 도청하려는 시도는 양자 상태를 붕괴시켜 송신자와 수신자 모두에게 보안 침해를 알립니다.