The contents of this metal cylinder could either revolutionize technology or be completely useless— it all depends on whether we can harness the strange physics of matter at very, very small scales. To have even a chance of doing so, we have to control the environment precisely: the thick tabletop and legs guard against vibrations from footsteps, nearby elevators, and opening or closing doors. The cylinder is a vacuum chamber, devoid of all the gases in air. Inside the vacuum chamber is a smaller, extremely cold compartment, reachable by tiny laser beams. Inside are ultra-sensitive particles that make up a quantum computer.
이 금속 실린더의 내용물은 기술 혁명을 일으킬 수도 있고 완전히 쓸모 없을 수도 있습니다. 이는 우리가 아주 작은 측정값의 물리학을 이용할 수 있는지에 달렸습니다. 그렇게 하기 위해서, 우리는 환경을 아주 섬세하게 통제해야 합니다. 두꺼운 상판과 책상 다리가 발걸음, 근처의 엘리베이터, 문의 여닫음으로 인한 진동을 막아줍니다. 실린더는 진공이며, 공기 중의 기체가 전혀 없습니다. 진공실의 안쪽은 더 작은데, 극도로 온도가 낮으며 작은 레이저 광선으로만 접속할 수 있습니다. 내부에는 양자 컴퓨터를 구성하는 초민감 입자가 있습니다.
So what makes these particles worth the effort? In theory, quantum computers could outstrip the computational limits of classical computers. Classical computers process data in the form of bits. Each bit can switch between two states labeled zero and one. A quantum computer uses something called a qubit, which can switch between zero, one, and what’s called a superposition. While the qubit is in its superposition, it has a lot more information than one or zero. You can think of these positions as points on a sphere: the north and south poles of the sphere represent one and zero. A bit can only switch between these two poles, but when a qubit is in its superposition, it can be at any point on the sphere. We can’t locate it exactly— the moment we read it, the qubit resolves into a zero or a one. But even though we can’t observe the qubit in its superposition, we can manipulate it to perform particular operations while in this state.
무엇이 이 입자들을 가치있게 만드는 걸까요? 이론상, 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에게 있는 계산 상의 한계를 뛰어넘을 수 있습니다. 기존 컴퓨터는 데이터를 비트의 형태로 처리합니다. 각각의 비트는 0과 1, 두 가지 상태로 나뉘어집니다. 양자 컴퓨터는 큐비트라는 것을 사용하는데, 이는 0, 1, 혹은 사이의 중첩 상태로 바뀔 수 있습니다. 큐비트가 중첩 상태일 때, 0이나 1보다 더 많은 정보를 담고 있습니다. 여러분은 이 상태를 구체의 점으로 생각해볼 수 있습니다. 구체의 북극과 남극은 1과 0을 대표합니다. 비트는 오로지 이 두 극점 사이에서 바뀌는데, 큐비트가 중첩 상태에 있을 때는, 해당 구체의 어느 부분이든 될 수 있습니다. 우리는 위치를 정확히 잡아낼 수 없습니다. 우리가 읽어내는 순간, 큐비트는 0 혹은 1로 바뀝니다. 우리가 중첩 상태의 큐비트를 관찰할 수 없을지라도, 중첩 상태에서 특정 작업을 하도록 조작할 수 있습니다.
So as a problem grows more complicated, a classical computer needs correspondingly more bits to solve it, while a quantum computer will theoretically be able to handle more and more complicated problems without requiring as many more qubits as a classical computer would need bits.
문제가 복잡해질수록 기존 컴퓨터는 그에 대응해서 더 많은 비트를 필요로 합니다. 반면 이론적으로 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 더 많은 큐비트 없이도 복잡한 문제들을 해결할 수 있습니다.
The unique properties of quantum computers result from the behavior of atomic and subatomic particles. These particles have quantum states, which correspond to the state of the qubit. Quantum states are incredibly fragile, easily destroyed by temperature and pressure fluctuations, stray electromagnetic fields, and collisions with nearby particles. That’s why quantum computers need such an elaborate set up. It’s also why, for now, the power of quantum computers remains largely theoretical. So far, we can only control a few qubits in the same place at the same time.
양자 컴퓨터의 독특한 특징은 원자와 아원자 입자에서 비롯되었습니다. 이 입자들은 양자 상태인데, 이는 큐비트의 상태와 상응합니다. 양자 상태는 놀랍도록 깨지기 쉬워서, 온도와 압력의 변화, 빗나간 전자 파장, 근처 입자와의 충돌에 의해 쉽게 파괴됩니다. 이런 이유로 양자 컴퓨터는 정교한 환경을 필요로 합니다. 또한 이것은 현재 양자 컴퓨터가 이론적으로만 남아있는 이유이기도 합니다. 지금까지 우리는 동시에 같은 장소에서 아주 적은 큐비트만 다룰 수 있었습니다.
There are two key components involved in managing these fickle quantum states effectively: the types of particles a quantum computer uses, and how it manipulates those particles. For now, there are two leading approaches: trapped ions and superconducting qubits.
변덕스러운 양자 상태를 효과적으로 관리하는데는 두 가지 핵심 요소가 있습니다. 하나는 양자 컴퓨터가 사용하는 입자의 유형이고, 다른 하나는 그 입자를 조정하는 방식입니다. 우세한 두 가지 접근법이 있습니다. 바로 포획 이온과 초전도 큐비트입니다.
A trapped ion quantum computer uses ions as its particles and manipulates them with lasers. The ions are housed in a trap made of electrical fields. Inputs from the lasers tell the ions what operation to make by causing the qubit state to rotate on the sphere. To use a simplified example, the lasers could input the question: what are the prime factors of 15? In response, the ions may release photons— the state of the qubit determines whether the ion emits photons and how many photons it emits. An imaging system collects these photons and processes them to reveal the answer: 3 and 5.
포획 이온 양자 컴퓨터는 이온을 입자로 사용합니다. 그리고 레이저로 입자를 조작합니다. 이온은 전기장으로 만들어진 트랩에 갇혀있습니다. 레이저의 투입은 큐비트 상태를 유발하여 구체에서 돌아다니도록 하며 이온이 무슨 작업을 해야할지 알려줍니다. 간단한 예시를 들어보자면, 레이저는 질문을 주입할 수 있습니다. 15의 소인수는 무엇일까요? 그 반응으로 이온은 광자를 방출합니다. 큐비트의 상태는 이온이 광자를 방출할지, 또 얼마나 방출할지를 결정합니다. 영상 시스템은 이러한 광자를 수집하여 답안을 처리합니다. 바로 3과 5입니다.
Superconducting qubit quantum computers do the same thing in a different way: using a chip with electrical circuits instead of an ion trap. The states of each electrical circuit translate to the state of the qubit. They can be manipulated with electrical inputs in the form of microwaves. So: the qubits come from either ions or electrical circuits, acted on by either lasers or microwaves. Each approach has advantages and disadvantages. Ions can be manipulated very precisely, and they last a long time, but as more ions are added to a trap, it becomes increasingly difficult to control each with precision. We can’t currently contain enough ions in a trap to make advanced computations, but one possible solution might be to connect many smaller traps that communicate with each other via photons rather than trying to create one big trap. Superconducting circuits, meanwhile, make operations much faster than trapped ions, and it’s easier to scale up the number of circuits in a computer than the number of ions. But the circuits are also more fragile, and have a shorter overall lifespan.
초전도 큐비트 양자 컴퓨터는 다른 방식으로 같은 일을 해냅니다. 이번에는 이온 트랩 대신 전기 회로가 있는 칩을 사용합니다. 각 전기 회로의 상태는 큐비트의 상태로 번역됩니다. 이는 마이크로파 형태의 전기적 입력으로 조작될 수 있습니다. 큐비트는 레이저나 마이크로파에 의해 이온에서도, 전기 회로에서도 생겨날 수 있습니다. 각각의 접근법은 장단점이 있습니다. 이온은 매우 정확하게 조정할 수 있고 오랜 시간 지속되지만, 트랩에 더 많은 이온이 추가되면 각각의 정확성을 조절하기 아주 어려워집니다. 우리는 현재 고난이도 계산을 하기 위한 충분한 양의 이온을 다룰 수 없습니다. 하지만 한 가지 가능한 해결책은 더 작은 트랩을 많이 연결하는 겁니다. 이 트랩들은 광자를 통해 정보를 주고 받습니다. 큰 트랩을 하나 만드는 것보다 더 나은 선택이죠. 한편 초전도 전기회로는 이온 트랩보다 작업을 훨씬 빨리 해냅니다. 그리고 이온을 늘리는 것보다 컴퓨터의 전기회로 수를 늘리는 게 쉽습니다. 다만 전기회로는 더 약해서 전반적인 수명이 짧습니다.
And as quantum computers advance, they will still be subject to the environmental constraints needed to preserve quantum states. But in spite of all these obstacles, we’ve already succeeded at making computations in a realm we can’t enter or even observe.
양자 컴퓨터가 발전하면서, 양자 상태를 보존하기 위해 여전히 환경적 제약을 받아야합니다. 하지만 이러한 모든 장애물에도 불구하고, 우리는 들어갈 수도, 관찰할 수도 없는 영역에서 이미 계산을 만드는 것에 성공했습니다.