큐비트 뜻(일반 비트, 중첩, 측정)

큐비트는 양자 컴퓨터에서 정보를 다루는 기본 단위다. 일반 비트는 0이나 1의 값을 갖고, 큐비트는 0과 1에 해당하는 두 기본 상태를 결합한 중첩 상태도 가질 수 있다. 이 큐비트를 0과 1을 구분하는 방식으로 측정하면 결과는 둘 중 하나로 기록된다. 큐비트 뜻을 이해하려면 측정하기 전의 상태와 측정한 뒤에 얻은 값을 나눠 보면 된다. 일반 비트와의 차이부터 중첩의 확률과 양자 연산의 역할까지 살펴보자.

큐비트 뜻, 일반 비트와 뭐가 다를까?

큐비트는 양자 비트라는 뜻으로, 일반 비트의 0과 1에 해당하는 두 기본 상태를 갖는다. 큐비트는 이 두 기본 상태 중 하나로 준비할 수도 있고, 두 상태를 일정한 방식으로 결합해 하나의 중첩 상태로 준비할 수도 있다. 이때 각 기본 상태에 붙는 값을 확률 진폭이라고 한다.

 

아래 표는 정보를 담는 상태와 그 정보를 읽는 결과를 나눠 비교한 것이다.

 

구분	정보를 담는 상태	0과 1을 구분해 읽은 값
일반 비트	0 또는 1	저장된 0 또는 1
큐비트	0 상태, 1 상태 또는 두 상태의 중첩	측정에서 얻은 0 또는 1 하나

 

두 기본 상태는 정보를 다루기 위해 붙인 이름이다. 예를 들어 어떤 장치에서는 원자의 서로 다른 두 에너지 상태를 골라 각각 0과 1에 대응시킨다. 이 두 상태에 연산을 가해 결합 방식을 바꾸고, 마지막에 측정해 결과를 일반 비트로 읽는다.

중첩 상태를 측정하면 무엇이 나올까?

큐비트 하나를 0과 1을 구분하는 기본 방식으로 한 번 측정하면 0 또는 1이 나온다. 두 결과의 확률은 측정 직전의 상태로 정해진다. 0으로 준비한 큐비트를 이 방식으로 측정하면 0이 나오고, 중첩 상태로 준비하면 상태에 따라 0과 1의 확률이 달라질 수 있다. 두 기본 상태에 붙은 진폭의 크기를 각각 제곱하면 해당 결과의 확률을 구할 수 있다. 두 확률의 합은 언제나 100%다.

 

0과 1이 각각 50% 확률로 나오는 중첩을 예로 들어 보자. 한 번 측정한 기록에는 0이나 1 중 하나만 적힌다. 확률을 실험으로 확인하려면 매번 같은 중첩 상태를 새로 준비한 뒤 한 번씩 측정한다. 여러 번 모은 기록에서 두 결과가 각각 몇 번 나왔는지 세면 된다. 결과가 정확히 절반씩 나오는지는 반복할 때마다 달라질 수 있다. 이미 0을 얻은 큐비트를 연산 없이 같은 방식으로 다시 읽으면, 이상적인 경우에는 0이 다시 나온다. 반복 실험에서 매번 같은 중첩을 새로 만드는 이유다.

측정 확률이 같아도 상태는 다를까?

0과 1이 나올 확률이 같아도 큐비트의 상태는 서로 다를 수 있다. 두 기본 상태에 붙은 확률 진폭에는 크기와 위상이라는 정보가 들어 있다. 기본 방식으로 측정할 때는 진폭의 크기가 확률을 정하고, 연산으로 진폭들을 결합할 때는 서로의 위상도 영향을 준다.

 

큐비트 뜻을 한 걸음 더 이해하려면 ‘플러스 상태’와 ‘마이너스 상태’를 예로 들면 된다. 두 상태는 진폭의 상대적인 부호가 다르지만 기본 방식으로 바로 측정하면 각각 0과 1이 50% 확률로 나온다. 같은 상태를 다시 준비해 먼저 ‘하다마드’라는 연산을 하고 측정하면, 이상적인 경우 플러스 상태는 0, 마이너스 상태는 1로 구분된다.

 

이처럼 진폭을 합치는 방식에 따라 어떤 결과가 더 잘 나오거나 줄어드는 현상을 양자 간섭이라고 한다. 양자 회로에서는 측정 전에 이런 연산을 적용해 원하는 결과를 얻을 가능성을 높일 수 있다.

마치면서

큐비트는 0과 1에 해당하는 기본 상태와 그 두 상태의 중첩을 다룰 수 있는 정보 단위다. 큐비트 뜻을 기억할 때는 측정 전 상태와 한 번 측정해 얻은 값을 따로 떠올리면 된다. 기본 방식으로 읽으면 0이나 1 하나가 나온다. 매번 같은 상태를 새로 준비해 측정하면 각 결과의 확률을 살필 수 있고, 플러스 상태와 마이너스 상태는 측정 전에 하다마드 연산을 적용하면 구분할 수 있다.

 

[안내드립니다] 예시는 잡음이 없는 이상적인 큐비트를 0과 1을 구분하는 기본 방식으로 측정하는 경우를 설명합니다.