quantum wave

양자컴퓨터를 만든다는 것은 양자계을 정밀하게 제어하는 것으로, 그 상태를 원하는 순간에 준비하고, 서로 얽힘을 포함한 양자 연산을 수행한 뒤, 마지막에 정확히 읽어 내는 일로 이해할 수 있다. 이온트랩은 이 요구를 매우 직접적인 방식으로 만족한다. 진공 속에 떠 있는 이온 하나하나가 큐비트가 되고, 레이저와 마이크로파가 연산 장치가 되며, 이온들이 함께 흔들리는 집단운동이 큐비트 사이를 연결하는 통로가 된다. 같은 원소의 이온은 본질적으로 동일하기 때문에 소자를 제작할 때 생기는 편차가 작고, 외부 환경과 잘 격리된 내부 상태를 사용하면 긴 결맞음 시간과 높은 정밀도의 제어를 얻을 수 있다[1,2]. 하지만 소수의 이온을 정교하게 조작하는 것과 많은 이온으로 유용한 양자 장치를 만드는 것은 서로 다른 문제다. 이온 수가 늘어나면 진동 모드가 촘촘해지고, 모든 이온을 개별적으로 비추는 광학계가 복잡해지며, 작은 전기장 잡음과 레이저 오차도 누적된다. 이를 해결하기 위해 작은 이온 묶음을 여러 구역 사이에서 이동시키는 QCCD(quantum charge-coupled device), 하나의 긴 1차원 사슬에서 여러 진동 모드를 활용하는 방식, 그리고 이온을 평면에 배열하는 2차원 이온 결정이 발전하고 있다. 이 글에서는이온트랩의 기본 동작에서 출발하여 이 세 가지 확장 방향을 비교하고, 특히 2차원 이온 결정이 대규모 양자시뮬레이션과 양자연산연구에 어떤 새로운 무대를 제공하는지 살펴본다.

• 큐레이터 : 기초과학연구원(IBS) 이온트랩 양자과학 연구단 김기환
• 2026.10.06

양자컴퓨터를 만든다는 것은 양자계을 정밀하게 제어하는 것으로, 그 상태를 원하는 순간에 준비하고, 서로 얽힘을 포함한 양자 연산을 수행한 뒤, 마지막에 정확히 읽어 내는 일로 이해할 수 있다. 이온트랩은 이 요구를 매우 직접적인 방식으로 만족한다. 진공 속에 떠 있는 이온 하나하나가 큐비트가 되고, 레이저와 마이크로파가 연산 장치가 되며, 이온들이 함께 흔들리는 집단운동이 큐비트 사이를 연결하는 통로가 된다. 같은 원소의 이온은 본질적으로 동일하기 때문에 소자를 제작할 때 생기는 편차가 작고, 외부 환경과 잘 격리된 내부 상태를 사용하면 긴 결맞음 시간과 높은 정밀도의 제어를 얻을 수 있다[1,2]. 하지만 소수의 이온을 정교하게 조작하는 것과 많은 이온으로 유용한 양자 장치를 만드는 것은 서로 다른 문제다. 이온 수가 늘어나면 진동 모드가 촘촘해지고, 모든 이온을 개별적으로 비추는 광학계가 복잡해지며, 작은 전기장 잡음과 레이저 오차도 누적된다. 이를 해결하기 위해 작은 이온 묶음을 여러 구역 사이에서 이동시키는 QCCD(quantum charge-coupled device), 하나의 긴 1차원 사슬에서 여러 진동 모드를 활용하는 방식, 그리고 이온을 평면에 배열하는 2차원 이온 결정이 발전하고 있다. 이 글에서는이온트랩의 기본 동작에서 출발하여 이 세 가지 확장 방향을 비교하고, 특히 2차원 이온 결정이 대규모 양자시뮬레이션과 양자연산연구에 어떤 새로운 무대를 제공하는지 살펴본다.

• 큐레이터 : 기초과학연구원(IBS) 이온트랩 양자과학 연구단 김기환
• 2026.10.02

20세기 이후 자연과학과 정보과학은 서로의 언어를 빌려가며 빠르게 가까워졌습니다. 그 가장 극적인 만남 중 하나가 양자 컴퓨터입니다. 양자역학의 중첩과 얽힘을 직접 계산 자원으로 사용해 고전 컴퓨터로는 다루기 어려운 문제를 풀어내려는 시도입니다. 이 글에서는 그 흐름을 두 줄기로 따라가려고 합니다. 한 줄기는 쇼어의 소인수분해 알고리즘이고, 또 한 줄기는 분자와 물질의 에너지 준위를 계산하는 양자화학 알고리즘입니다. 겉으로 보면 이 둘은 거리가 멀어 보입니다. 하나는 정수론과 암호학의 문제이고, 다른 하나는 화학과 응집물리의 문제이기 때문입니다. 그러나 두 알고리즘의 핵심 엔진은 놀라울 만큼 닮아 있습니다. 마치 동전의 앞면과 뒷면처럼, 겉보기에는 서로 다른 문제처럼 보이지만 본질적으로는 같은 문제를 풀고 있습니다. 둘 다 양자 푸리에 변환(Quantum Fourier Transform, QFT)을 통해 어떤 함수에 숨겨진 위상 정보를 간섭으로 끄집어내는 같은 원리를 공유합니다. 쇼어가 정수론적 함수의 주기를 읽어낸다면, 양자화학에서 쓰는 양자 위상 추정(Quantum Phase Estimation, QPE)은 시간 진화 연산자의 고유 위상을 읽어냅니다. 이 글의 목표는 두 알고리즘을 따로 소개하는 것이 아니라, 이들이 사실은 한 동전의 양면이라는 점을 보여 드리는 것입니다. 특히 양자화학은 양자 컴퓨터의 가장 자연스러운 응용처로 일찍부터 주목받아 왔습니다. 1982년 파인만(R. Feynman)이 자연이 양자역학을 따른다면 자연을 시뮬레이션할 컴퓨터도 양자적이어야 한다고 제안한 이래, 분자의 기저 상태 에너지를 정확히 계산하는 일은 양자 컴퓨터의 킬러 응용으로 꼽혀 왔습니다. 1990년대 후반 아브람스(Abrams)와 로이드(Lloyd)가 QPE를 양자화학 문제에 적용한 이래, 아스푸루-구직(Aspuru-Guzik) 등의 연구를 거치면서 분자 시뮬레이션은 양자 알고리즘 연구의 중심 무대 중 하나가 되었습니다. 신소재 설계, 촉매 개발, 신약 후보 분자 탐색처럼 산업적 의미가 큰 문제들이 결국 해밀토니안의 가장 낮은 고윳값 찾기로 귀결되기 때문입니다. 이 글은 양자 컴퓨팅을 처음 접하는 학부 1~2학년 독자를 염두에 두고 썼습니다. 수식은 꼭 필요한 곳에만 사용하고, 가능하면 그림과 비유로 직관을 먼저 전달하려 노력했습니다.

• 큐레이터 : 연세대학교 화학과 및 양자정보학과 허준석
• 2026.05.29

본 열린강의실에서는 큐비트 기반 양자컴퓨팅의 한계를 보완하기 위해 연속 변수 (보손 모드)와 이산변수 (큐비트) 를 결합한 연속-이산 하이브리드 양자 프로세서의 개념과 응용을 다룹니다. 연속-이산 하이브리드 시스템의 물리적 구현사례 (초전도회로, 이온트랩, 중성원자), 하이브리드 게이트 구조, AMM및 ISA필요성, 그리고 해밀토니안 시뮬레이션에 대해서 소개합니다. 마지막으로 연속-이산 하이브리드 프로세서의 주요과제와 향후 연구방향을 간략히 제시합니다.

• 큐레이터 : 연세대학교 화학과 및 양자정보학과 허준석
• 강민혁, 홍정수, 오병두
• 2025.06.16