큐비트(qubit)

큐비트(qubit)

양자 정보통신에서 사용하는 수학적으로 정의된 정보의 기본 단위.

 

 

컴퓨터에서 사용되는 정보의 단위는 비트이다. 이와 유사하게 양자 정보시스템에서 사용되는 최소 정보 단위를 큐큐비트(qubit)라고 한다. 비트(bit)는 두 가지 상태를 나타낼 수 있다. 예를 들어 이상적인 동전을 던져 앞면이 나오는 경우를 비트  '0' (혹은 '1'), 뒷면이 나오는 경우를 비트  '1' (혹은 '0')로 나타낼 수 있다.

 

이상적인 동전과 같이 2가지 상태만으로 구성된 시스템을 2-level 시스템이라고도 한다. 비트와 마찬가지로

큐비트는 2-level 양자 시스템으로 정의한다.

양자 정보는 중첩이 가능하다. 비트는 '0'과 '1'의 두 상태 중 하나의 상태로 현재의 상태 값을 가진다.

양자 정보는 '0'과 '1' 각 각의 정보를 저장할 수 있을 뿐만 아니라 '0'과 '1'이 동시에 존재하는 상태를 가질 수 있다.

다시 말해 큐비트는 두 가지 상태로 표현 될 수 있는 시스템에서 두 상태의 중첩된 형태로 표현된다. 

 

광자의 편광뿐만 아니라 전자의 바닥 상태(ground state)와 들뜬 상태(excited state)와 같이 구분이 가능한 두 가지 상태를 갖는 모든 양자 상태는 수학적으로 큐비트로 정의한다.

비트 1개는 1차원 벡터로 0과 1을 나타낼 수 있으며, 비트 2개는 서로 직교하는 두 벡터 (0, 1), (1, 0)를 기저 벡터로 하는 2차원 공간을 나타낼 수 있다.

큐비트(단일 큐비트) 1개는 2차원 벡터로, |0〉와 |1〉은 각각 2차원 벡터인 (1, 0)벡터와 (0, 1)벡터를 나타낸다. 큐비트 2개가 있을 경우 중첩 가능한 기저 상태는 |00〉, |01〉, |10〉, |11> 의 총 4가지이며, 큐비트의 수가 증가함에 따라 기저 벡터의 수는 지수적으로 증가한다.

따라서 2n개의 비트로 정의하는 벡터 공간을 양자는 n개의 큐비트로 나타낼 수 있다.

 

벡터 공간의 기저 벡터는 벡터 공간의 정보를 의미하기 때문에 양자 정보 시스템은 큐비트가 증가함에 따라 처리할 수 있는 정보가 기하학적으로 증가한다. 

 

큐비트는 수학적으로 벡터 공간에서 크기가 '1’인 단위 벡터로 정의된다.

따라서 3차원 벡터 공간에서 크기가 '1'인 벡터는 반지름이 '1'인 구의 표면에 존재하는 임의의 한 점으로 나타낼 수 있으며, 이를 블로흐 구면 (Bloch Sphere)이라고 한다.