나는 요즘 Quantum Physics 에 관한 책이나 Post-Quantum Cryptography 에 관한 책들을 자주 읽곤한다.
그건 예전 거대한 mainframe 앞에서 밤을 새우던 내가 지금은 주머니에 컴퓨터를 들고 다니기 때문이다.
언젠가 사람들이 Quantum Computer 를 주머니에 넣고 다닐 때가 올 것이다.
Quantum Computer 는 얽힘(entanglement)이나 중첩(superposition) 같은 양자역학적인 현상을 이용하여 자료를 처리하는 계산기계다.
고전적인 컴퓨터에서 자료의 양은 비트 (0 or 1) 로 측정된다. 양자 컴퓨터에서 자료의 양은 큐비트(Qubit) 로 측정된다.
양자 계산의 기본적인 원칙은 입자의 양자적 특성이 자료를 나타내고 구조화할 수 있다는 것과 양자적 메카니즘이 고안되어
이러한 자료들에 대한 연산을 수행할 수 있도록 만들어질 수 있다는 것에 기한다.
양자 비트, 혹은 큐비트(Qubit)는 양자 정보의 단위다.
큐비트의 정보는, 수학적으로는 복소수에 대한 2차원 벡터 공간인 2단계 양자 역학계 안의 상태로 기술된다.
두 개의 바닥 상태(또는 벡터)는 브라-켓 표기법을 사용하여 |0> 와 |1> ("Ket 0"과 "Ket 1"로 읽음)로 표시한다.
따라서 큐비트는 고전적인 정보 단위인 비트의 양자 역학판으로 볼 수 있다.
순수 큐비트 상태는 이 두 상태의 선형 양자 중첩이며, 따라서 모든 큐비트는 |0> 와 |1> 의 선형조합으로 다음과 같이 나타낼 수 있다:
|psi> = alpha |0> + beta |1>,
이 때 α와 β는 복소수인 확률 진폭이며, 다음 식을 만족한다:
|alpha| ^ 2 + |beta| ^ 2 = 1.
이 큐비트가 상태 |0> 에서 측정될 확률은 |alpha| ^ 2 이고, 상태 |1> 에서 측정될 확률은 |beta| ^ 2 이다.
따라서 계의 두 상태에서 측정될 총 확률은 1 이 된다.
비슷한 방법으로, 3단계 양자계 안의 양자 정보의 단위는 트리트에서 따와서 큐트리트라고 부르며,
d단계 양자계의 경우 큐디트(Qudit)라고 표현한다.
벤자민 슈마허는 양자 상태를 정보로 해석하는 방법을 발견하였다.
그는 정보를 상태 안에 압축하고 정보를 더 적은 수의 상태 안에 저장하는 방법을 제시하였으며, 이는 지금 슈마허 압축으로 알려져 있다.
슈마허는 큐비트라는 용어를 만든 사람이기도 하다.
우리는 이따금 국방망이 뚫렸다는 소식을 듣는다.
양자암호(Quantum Cryptography)의 제일 큰 보안성은 측정이 1회만 허용된다는 것이다.
최초의 기회를 제대로 활용하지 못할 경우 신호는 왜곡이 되며 두 번째 측정부터는 정확한 측정이 불가능하게 된다.
이 경우 전송 중인 광자를 한번 복사하여 2개 이상의 광자를 생성한 다음 따로 측정하는 가설이 존재할 수 있으나,
이는 양자역학의 기초현상 중 하나인 복제 불가능성 원리에 따라 광자의 완벽한 복사 자체가 불가능하다.
Post-Quantum Cryptography 에 관한 책은 Quantum Computer 로도 뚫지 못하는 암호를 연구하는 것이다.
이 얼마나 신기하고 재미있는가 ?
