“양자컴퓨터는 모든 답을 계산한 뒤 정답을 고릅니다.”
지난 편에서 이 말이 절반만 맞다는 것을 봤습니다. 큐비트는 여러 가능성을 담을 수 있지만, 측정하면 하나의 결과만 나옵니다.
그렇다면 양자컴퓨터는 어떻게 유용한 답을 찾을까요?
핵심은 간섭입니다.
물가에 두 개의 파도가 만난다고 생각해봅시다.
두 파도의 마루가 만나면 파도가 더 커집니다. 이를 보강 간섭이라고 합니다. 반대로 한 파도의 마루와 다른 파도의 골이 만나면 서로 상쇄되어 파도가 줄어들거나 사라질 수 있습니다. 이를 상쇄 간섭이라고 합니다.
파도는 이렇게 서로 만나면서 크기가 달라집니다. 양자컴퓨팅에서도 비슷한 일이 일어납니다.
큐비트는 중첩 상태에 있을 수 있습니다. 이때 큐비트는 단순히 0 또는 1이 아니라, 0이 될 가능성과 1이 될 가능성을 함께 담고 있습니다.
중요한 것은 이 가능성들이 서로 영향을 주고받는다는 점입니다.
양자 알고리즘은 큐비트의 상태를 조작하면서, 어떤 결과의 가능성은 키우고 어떤 결과의 가능성은 줄입니다. 이 과정에서 보강 간섭과 상쇄 간섭이 일어납니다.
원하는 결과의 가능성은 서로 강화되어 커집니다.
원하지 않는 결과의 가능성은 서로 상쇄되어 작아집니다.
마지막에 측정하면, 원하는 결과가 나올 확률이 높아진 상태가 됩니다.
간섭이 없다면 양자컴퓨터는 그저 많은 가능성을 담고 있는 기계에 불과합니다.
가능성이 많다고 해서 그중 유용한 답을 자동으로 얻는 것은 아닙니다. 측정하면 하나의 결과만 나오기 때문입니다.
간섭이 있어야 비로소 다음이 가능해집니다.
여러 가능성 중 원하는 결과를 키울 수 있습니다.
원하지 않는 결과를 줄일 수 있습니다.
측정했을 때 유용한 답이 나올 확률을 높일 수 있습니다.
그래서 양자컴퓨터는 “모든 답을 계산하는 기계”라기보다, 간섭을 이용해 답이 나올 확률을 설계하는 기계에 가깝습니다.
양자 알고리즘은 다음과 같은 흐름으로 작동합니다.
1. 큐비트를 준비합니다.
2. 큐비트를 중첩 상태로 만듭니다.
3. 게이트를 이용해 큐비트의 상태를 조작합니다.
4. 조작 과정에서 간섭이 일어납니다.
5. 측정하여 결과를 얻습니다.
여기서 핵심은 3번과 4번입니다.
게이트는 큐비트의 상태를 바꾸는 연산입니다. 이 연산을 어떻게 배치하느냐에 따라, 어떤 결과가 강화되고 어떤 결과가 상쇄되는지가 달라집니다.
즉, 양자 알고리즘은 단순히 큐비트를 많이 쓰는 것이 아니라, 어떤 결과가 나오도록 간섭을 설계하는 것입니다.
간섭을 이용해 유용한 답을 찾으려면, 문제 자체가 양자 알고리즘으로 잘 표현되어야 합니다.
모든 문제가 그렇지는 않습니다. 어떤 문제는 양자 알고리즘으로 표현하기 어렵고, 어떤 문제는 표현할 수 있어도 일반 컴퓨터보다 유리하지 않을 수 있습니다.
그래서 양자컴퓨터가 강점을 가질 수 있는 문제는 다음과 같은 특징을 가집니다.
문제를 양자 상태와 연산으로 표현할 수 있음
간섭을 이용해 원하는 결과의 확률을 높일 수 있음
일반 컴퓨터로 풀 때 계산량이 매우 큰 문제
오해: 간섭은 그냥 파도가 겹치는 현상과 같다.
사실: 파도의 간섭은 이해를 돕는 비유일 뿐, 양자 상태의 간섭은 결과의 확률을 바꾸는 핵심 원리다.
오해: 간섭이 있으면 자동으로 정답이 나온다.
사실: 간섭은 알고리즘이 어떻게 설계되느냐에 따라 원하는 결과의 확률을 높이거나 낮출 수 있다.
오해: 양자컴퓨터는 간섭 덕분에 모든 문제를 빨리 푼다.
사실: 간섭이 유용하려면 문제가 양자 알고리즘으로 잘 표현되어야 한다.
오해: 간섭은 측정 이후에 일어난다.
사실: 간섭은 측정 전 계산 과정에서 일어나며, 측정하면 하나의 결과만 얻는다.
파도 비유는 간섭을 이해하는 데 매우 유용합니다. 하지만 파도와 양자 상태는 다릅니다.
파도는 우리가 눈으로 보고 손으로 만질 수 있는 물리적 현상입니다. 양자 상태는 그렇게 직접 관찰되지 않으며, 측정하면 상태가 바뀝니다.
그래서 파도 비유는 “간섭이 무엇인지 감을 잡는 도구”로 쓰고, 실제 양자컴퓨팅에서는 간섭이 결과의 확률을 어떻게 바꾸는지에 초점을 맞춰야 합니다.
다음 질문에 답해보세요.
보강 간섭과 상쇄 간섭은 어떻게 다를까요?
양자 알고리즘은 간섭을 이용해 무엇을 하려고 할까요?
간섭이 유용하려면 문제가 어떤 조건을 만족해야 할까요?
다음 편에서는 양자컴퓨터가 실제로 어떤 순서로 계산하는지 살펴봅니다.
큐비트를 준비하고, 게이트로 상태를 바꾸고, 측정해 결과를 얻는 전체 과정을 간단한 예시와 함께 알아보겠습니다.