양자역학의 원리부터 양자 컴퓨팅의 기술적 진보, 단기간 내 양자 컴퓨팅의 잠재적 유용성을 평가/재평가하기 위한 도구와 개발 의미, 양자 컴퓨팅 분야의 미래 평가 결과를 살펴볼 수 있다. 또한 아날로그 양자, 디지털 잡음이 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개하고 양자 알고리즘을 세부적으로 알아본다. 대형 양자 컴퓨터가 현재 사용되는 고전적인 암호 및 암호화 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 이 취약성을 해결하고자 지금 해야 할 일과 지금까지 진행한 작업을 설명한다. 양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 진전 내용을 설명하므로 이 한 권으로 양자 컴퓨터의 전체 흐름을 파악할 수 있다.

1장. 양자 컴퓨팅의 발전과 전망

1.1 현대 컴퓨팅의 기원
1.2 양자 컴퓨팅
1.3 컴퓨팅의 역사적 진보: 무어의 법칙
1.4 트랜지스터로 낮은 가격의 컴퓨터 제작
1.5 느린 확장 속도
1.6 양자: 새로운 컴퓨팅 접근법
1.7 참고 문헌

2장. 양자 컴퓨팅: 새로운 패러다임

2.1 양자 세계에서의 비논리적인 물리학 관련 내용
2.2 양자 기술의 조형
2.3 비트와 큐비트
2.4 큐비트로 계산
2.5 양자 컴퓨터 설계 제약 사항
2.6 기능적 양자 컴퓨터의 잠재력
2.7 참고 문헌

3장. 양자 알고리즘과 애플리케이션

3.1 이상적인 게이트 기반 양자 컴퓨터용 양자 알고리즘
3.2 양자 오류 정정과 완화
3.3 양자 근사 알고리즘
3.4 양자 컴퓨터의 애플리케이션
3.5 컴퓨팅 생태계에서 양자 컴퓨터의 잠재적 역할
3.6 참고 문헌

4장. 양자 컴퓨팅이 암호화에 미치는 영향

4.1 현재 사용 중인 암호화 알고리즘
4.2 크기 추정
4.3 포스트 양자 암호
4.4 실제 개발 목표
4.5 참고 문헌

5장. 양자 컴퓨터의 필수 하드웨어 구성 요소

5.1 양자 컴퓨터의 하드웨어 구조
5.2 트랩된 이온 큐비트
5.3 초전도 큐비트
5.4 다른 기술
5.5 미래 전망
5.6 참고 문헌

6장. 스케일링 가능한 양자 컴퓨터의 필수 소프트웨어 구성 요소

6.1 도전과 기회
6.2 양자 프로그래밍 언어
6.3 시뮬레이션
6.4 스펙, 검증, 디버깅
6.5 높은 수준 프로그램을 하드웨어에 맞게 컴파일
6.6 요약
6.7 참고 문헌

7장. 양자 컴퓨팅의 타당성과 시간 프레임

7.1 현재 발전 현황
7.2 양자 컴퓨팅에서의 진행 상태 평가용 프레임워크
7.3 마일스톤과 시간 추정
7.4 양자 컴퓨팅 연구 개발
7.5 성공적인 미래 목표
7.6 참고 문헌

부록A. 태스크 선언문

부록B. 이온 트랩 양자 컴퓨터

부록C. 초전도 양자 컴퓨터

부록D. 큐비트 생성 방법

부록E. 글로벌 R&D 투자

부록F. 위원회와 스태프 소개

부록G. 위원회 회원

부록H. 약어 정리

부록I. 용어집

★ 이 책의 구성 ★1장 ‘양자 컴퓨팅의 발전과 전망‘에서는 양자 컴퓨터의 계산상 장점을 소개하면서 컴퓨팅 분야의 배경과 콘텍스트를 제공한다. 반세기가 넘는 동안 고전적인 컴퓨팅 기술의 성능이 왜 그리고 어떻게 향상됐는지 주의 깊게 살펴본다.
2장 ‘양자 컴퓨팅: 새로운 패러다임’에서는 흥미롭고 도전적인 양자역학의 원리를 소개하고, 양자 컴퓨팅 커뮤니티에서 ‘고전 컴퓨터’라고 부르는 물리학의 고전적인 법칙에 따라 정보를 처리하도록 구현된 오늘날의 컴퓨터 동작과 비교한다. 양자 컴퓨터에 큐비트를 하나 더 추가해 양자 컴퓨터가 두 배로 문제를 해결할 수 있는 이유를 설명한다. 이 책에서는 아날로그 양자, 디지털 노이즈가 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개한다.
3장 ‘양자 알고리즘과 애플리케이션’에서는 양자 컴퓨터가 가진 힘을 이용하는 것이 어려운 것임을 알려주고 양자 알고리즘을 좀 더 심층적으로 살펴본다. 완전히 오류가 정정된 머신에 대해 이미 알려진 기본 알고리즘을 사용해본다. 오류 정정을 위한 오버헤드가 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
4장 ‘양자 컴퓨팅이 암호화에 미치는 영향’에서는 현재 전자 데이터 및 통신을 보호하는 데 사용되는 고전적인 암호 시스템을 살펴본다. 그다음 대형 양자 컴퓨터가 기존 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 그리고 이 취약성을 해결하고자 암호화 커뮤니티가 지금 해야 할 일(그리고 현재 진행한 작업)을 설명한다.
5장 ‘양자 컴퓨터의 필수 하드웨어 구성 요소‘와 6장 ‘스케일링 가능한 양자 컴퓨터의 필수 소프트웨어 구성 요소‘에서는 양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 발전 상황을 설명한다.
7장 ‘양자 컴퓨팅의 타당성과 시간 프레임’에서는 양자 컴퓨팅에서 상당한 진전을 이루기 위해 필요한 기술적 진보 및 기타 요소, 가능한 기간을 평가/재평가할 수 있는 툴과 개발의 의미, 분야의 미래에 대한 위원회의 평가를 제공한다. ★ 옮긴이의 말 ★미래 사회의 근간이 될 양자 컴퓨팅 기술은 기존 슈퍼컴퓨터보다 우월한 정보 처리 속도로 문제를 해결할 수 있다. 기존 컴퓨터와 전혀 다른 새로운 개념의 컴퓨터이므로 금융, 의료, 교통 등의 다양한 분야에 혁신을 가져올 것이다.
2018년 초, 구글, IBM, 인텔 등이 각각 수십 큐비트의 양자 프로세서를 공개하면서 양자 컴퓨터 구현의 기대감이 높아졌으며, 이후 2019년 구글이 양자 프로세서 칩 ‘시카모어’를 공개하며 53개의 큐비트를 이용해 현존하는 최고 성능의 슈퍼컴퓨터를 압도하는 연산 속도를 달성했다. 이와 같이 양자 컴퓨팅 기술은 지속적으로 발전하고 있고 게임 체인저 역할을 할 준비가 돼 있다. 그러나 양자 컴퓨터를 실제로 구현하는 데는 양자 게이트를 제어하고 동작 과정에서 오류를 정정하는 것이 중요하며, 이를 위해 초전도체, 이온트랩과 같은 기존 큐비트 구현 방식을 비롯한 관련 기술이 발전해야 한다. 이 책에서는 양자 컴퓨팅과 관련된 기본 요소와 고급 기술을 모두 다루므로 양자 컴퓨팅 기술에 필요한 핵심 내용을 신속히 알 수 있다.
핵심 내용은 2장부터 6장까지로, 2장에서는 양자역학의 원리를 다루며, 아날로그 양자, 디지털 노이즈가 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개한다. 3장에서는 양자 알고리즘을 좀 더 세부적으로 살펴본다. 4장에서는 현재 사용되는 고전적인 암호 및 암호화 시스템을 대형 양자 컴퓨터가 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 이런 취약성을 해결하려면 지금 해야 할 일과 지금까지 진행한 작업을 설명한다. 5장과 6장에서는 양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 진전 내용을 설명한다. 7장에서는 양자 컴퓨팅의 기술적 진보와 기타 요소, 사용 가능한 기간을 평가/재평가하는 도구, 개발 의미, 미래의 평가 결과를 제공한다.
이 책은 다양한 관점과 기술적 전문성으로 선택된 개별 전문가가 검토한 각 보고서를 종합한 결과물이다. 수많은 전문가의 지식과 의견이 녹아 들어가 있어서 이 책을 통해 얻을 수 있는 지식의 깊이는 매우 깊다. 양자 컴퓨팅은 기존 고전 컴퓨터와 비교해 많은 기술이 다르기 때문에 단번에 모든 것을 이해하기는 어렵다. 하지만 한 장씩 순차적으로 진행해 나가면 기본적인 요소들을 이해함으로써 시작해서 앞으로의 발전 방향까지 습득하게 될 것이다.
진심으로 모든 독자가 양자 컴퓨팅의 다양한 지식을 이해하고 실제로 활용하는 데 이 책이 많은 도움이 되길 바란다.