세상을 뒤바꿀 기술, 양자컴퓨터의 모든 것

양자컴퓨터 연구의 국내 최고 권위자 이순칠 카이스트 교수가 집필한 양자역학·양자컴퓨터 입문 교양도서. 전문 지식이 없는 독자에게 양자컴퓨터의 원리와 용도를 충실히 설명하고 쉽게 이해시키기 위해 기획된 책이다. 양자역학의 기본부터 양자정보기술의 최전선까지 우리가 알아야 하는 양자컴퓨터의 모든 것이 담겼다. 이순칠 교수는 대한민국 양자정보 1세대 연구자로서, 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발하여 “대한민국 양자컴퓨터 연구를 개척한 물리학자”라는 평을 받고 있다. 이 책은 저자가 30여 년간 진행한 카이스트 양자역학 강의의 핵심을 오롯이 담아놓은 책으로, 듣기만 해도 어려워 보이는 양자역학과 양자컴퓨터가 알기 쉽고 매력적인 대상으로 재탄생한다. 독창적인 비유와 흥미진진한 스토리텔링을 통해 양자정보 세계의 놀라운 현상들을 사칙연산만 할 줄 알면 이해할 수 있게 풀어놓았다. 양자컴퓨터는 언젠가 반드시 만들어진다. 개발되기만 하면 단번에 세상의 모든 기반을 송두리째 뒤흔들 기술이기에, 양자컴퓨터는 이제 우리 모두가 알아야 할 교양 지식이 되었다. 그동안 수많은 양자컴퓨터 이슈를 접하면서도 정작 그 알맹이를 제대로 살펴볼 기회는 드물었던 상황에서, 이 책은 양자컴퓨터라는 미래 기술의 이해에 목말라했던 독자들에게 더없이 좋은 기회가 될 것이다.

들어가며
프롤로그 | 서기 2037년

1부 첫 번째 세미나 | 양자의 전성시대
1장 | 양자물리는 이해가 되지 않는다
2장 | 양자물리의 탄생
3장 | 입자의 파동성
4장 | 중첩과 기본 가설
5장 | 불확정성 원리

2부 두 번째 세미나 | 양자의 암흑시대
6장 | 얽힘
7장 | EPR
8장 | 암흑기

3부 세 번째 세미나 | 양자의 르네상스
9장 | 양자정보기술의 탄생
10장 | 원격이동
11장 | 양자컴퓨터의 등장
12장 | 양자컴퓨터의 기본연산
13장 | 양자연산의 물리적 구현
14장 | 양자컴퓨터 하드웨어
15장 | 양자컴퓨터 소프트웨어

4부 네 번째 세미나 | 암호
16장 | 암호 이야기
17장 | 그로버의 데이터검색 알고리즘
18장 | 쇼어의 소인수분해 알고리즘
19장 | 양자암호통신

5부 다섯 번째 세미나 | 양자컴퓨터의 현재와 미래
20장 | 양자기술의 현재
21장 | 양자기술의 미래

에필로그 | 서기 2037년 후기
감사의 말
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“이 책 전체를 통해 전하고 싶은 중요한 메시지가 두 개 반 있는데, 그중 첫 번째가 바로 지금 소중한 지면을 할애해서 이야기하고 있는 양자물리는 아무도 이해할 수 없다는 사실이다. 이 사실만 제대로 전달이 되어도 책값은 했다고 느낀다. 이해가 되지 않는 것이 당연하며, 만일 마지막 쪽까지 읽고 덮었을 때 양자물리가 이해된다고 생각한다면 책을 제대로 읽지 않은 것이다. 사과 맛에 대한 설명을 아무리 들어도 직접 먹어본 느낌을 가질 수는 없다는 점을 받아들여야 한다. 이해를 포기하면 『이상한 나라의 앨리스』를 읽을 때처럼 재미있을지도 모른다.” (1장, 31~32쪽)“양자컴퓨터는 물리학과 수학, 철학, 전자공학, 컴퓨터공학 등이 융합된 연구 분야이다. … 쉽게 설명한다고 본질을 빼놓고 껍데기만 이야기하면 결국 제대로 알지 못하게 되므로, 뼈대가 되는 주제는 어려워도 설명을 피하지 않았다. 다만 선행 지식이 없어도 읽을 수 있도록 양자컴퓨터의 원리를 이해하는 데 필요한 지식은 모두 설명했다.” (1장, 32쪽)“도대체 양자물리가 얼마나 복잡하고 어렵기에 아무도 이해하지 못한다고 장황하게 설레발을 치는 것일까? 독자들은 이제 그 어렵다는 내용을 혹시 자신은 이해할 수 있을지 도전해보고 싶을 것이다. 이제 그 무시무시하게 어려운 내용을 말하려 하는데 준비가 되었는가? 어렵다는 양자물리의 핵심 내용은 간단하다. 이 세상 삼라만상은 모두 입자인 동시에 파동이다라는 것이다.” (2장, 33쪽)“물체의 중첩은 어떻게 이해해야 할까? 의자와 책상이 중첩된다는 뜻인가? 어찌 그런 일을 상상이나 할 수 있겠는가. 여기서부터 고민이 시작된다. 이 책에서 전하고 싶은 가장 중요한 두 번째 메시지는 바로 중첩에 관한 것으로, 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 혁신적으로 빠른 이유는 양자 세계의 중첩 성질 때문이다라는 것이다.” (4장, 74쪽)“양자 세계의 피아노로 으뜸화음을 치면 도·미·솔 중에서 어느 음이 들리게 되는 것일까? 양자물리의 기본 가설에 따르면, 어떤 음이 들릴지는 완전히 무작위로 정해진다. 다만 그 확률이 음마다 다를 수는 있는데, 세게 친 음, 즉 음파의 진폭이 큰 음이 들릴 확률이 더 높다. 그러므로 양자 세계의 피아노로 으뜸화음을 반복해서 친다면 매번 다른 음이 들릴 것이다. 솔·솔·미·도·솔…… 이런 식으로 말이다.” (4장, 79쪽)“중첩이 야기하는 이해할 수 없는 현상 중에서도 얽힘은 가장 괴상한, 가장 양자스러운 현상이다. 얽힘은 여러 측면에서 비상식적으로 보이는 상황을 만들어내며, 이것이 바로 양자정보기술을 마치 공상과학같이 느껴지게 하는 이유이다. … 양자전산은 중첩상태를 이용하기 때문에 빠르며, 알고리즘이 중첩상태 중에서도 얽힌 상태를 다루도록 짜여 있다면 고전컴퓨터는 양자컴퓨터를 흉내낼 도리가 없다. 이렇게 양자전산이 고전전산보다 빠른 이유는 중첩에 의한 현상 가운데서도 얽힘을 활용하기 때문이라는 것이 책에서 전달하고 싶은 세 번째 메시지이다.” (6장, 119쪽)“EPR 논문은 접수된 다음 날 게재 승인이 나서 바로 인쇄에 들어갔다고 한다. 논문을 접수한 편집장이 편집자나 심사자에게 돌리지도 않고 편집장 권한으로 게재를 결정해버린 것이었다. 아인슈타인의 이름이 논문에 들어가 있으니 편집장으로서 얼마나 반가웠겠는가. 언감생심 심사 같은 걸 하겠다고 할 상황이 아니었을 것이다. 하긴 심사를 돌렸던들 어느 누가 아인슈타인의 논문이 틀렸다고 게재 불가 판단을 내릴 수 있었겠는가? 논문이 하필 777쪽으로 시작 하는 것이 우연이 아니라는 생각이 들 정도이다.” (7장, 137~138쪽)“파인먼이 캘리포니아 공과대학에 교수로 재직하던 시절에 동 대학 화학공학과에서 유학생 신분으로 공부했던 내 동료는 파인먼이 자기에게 질문을 했다고 자랑스럽게 말하곤 했다. 천재 물리학 교수가 화공과 대학원생에게 질문할 일이 뭐가 있을까 하고 순진하게 생각했던 나는 친구에게 무슨 질문이었냐고 물었다. 그랬더니 그 친구 말이, 캠퍼스 내에서 우연히 파인먼을 마주쳤는데, 그때 파인먼이 자기에게 학생회관이 어디냐고 ‘질문’을 했다는 것이다. 사실 당시 파인먼은 그 대학에서 근무한 지 30년도 넘었기 때문에 학생회관이 어딘지 몰랐을 리가 없었다. 아마도 뭔가 골똘히 생각에 빠져 캠퍼스를 걷다가 문뜩 정신이 들었는데 갑자기 학생회관이 어딘지 생각이 나지 않았을 것이라는 게 친구의 해석이었다.” (11장, 184쪽)“2014년 미국 물리학회에서 내가 들어가본 발표회장 가운데 백미는 단연 양자 어닐링 계산 발표장이었다. 캐나다 회사 디웨이브가 구글에 1500만 달러에 판 양자컴퓨터의 작동 원리라고 알려진 그 계산법 말이다. … 미국 물리학회는 해마다 3월에 열리는데, 전 세계에서 약 1만 명의 물리학자들이 모인다. 누군가 여기에 폭탄을 터뜨린다면 인류의 물리학 수준이 10년은 후퇴할 것이다.” (20장, 307쪽)“양자컴퓨터는 이미 더 이상 공상과학이 아니다. 세계 각국의 대학교와 연구소는 물론이고, 구글, IBM, 인텔 같은 거대기업들이 하드웨어를 개발하고 있다. 이미 있는 양자컴퓨터로 양자 계산을 하는 회사들도 여럿 있다. 그리고 무엇보다도 양자컴퓨터를 만들지 못할 이론적인 장벽은 없기 때문에 언젠가는 만들어진다. 다만 궁극의 나노기술이어서 어렵거니와 인내심을 가지고 꾸준히 개발해야 할 뿐이다. 양자물리의 르네상스를 대표하는 양자컴퓨터는 우리의 문명을 한 단계 퀀텀 점프시킬 것이다.” (21장, 318쪽)“자, 이제 독자 여러분은 양자물리와 양자컴퓨터의 원리를 잘 이해할 수 있는가? 이해가 잘 안 되었다면 이 책을 제대로 읽은 것이다. 쿼크라는 이름을 처음 만든 입자물리학자 머리 겔만이 그랬다. ‘양자물리를 아는 사람과 모르는 사람의 차이는 모르는 사람과 원숭이의 차이보다 크다. 양자물리를 모르는 사람은 금붕어나 다름없다.’ 인내심을 갖고 이 책을 끝까지 독파한 독자라면 그 보상으로 적어도 금붕어 신세는 면한 셈이다.” (21장, 318쪽)

양자의 시대가 머지않아 도래한다!양자컴퓨터의 정수를 고스란히 담은 한 권의 책★★★★★ 정재승, 김상욱, 김재완 교수 강력 추천★★★★★ 실비아 소킨 그린필드상 수상★★★★★ 국내 최초 병렬처리 양자컴퓨터 개발정재승, 김상욱 교수에게 양자역학을 가르친양자컴퓨터 연구 국내 최고 권위자이순칠 카이스트 교수의 수식 없이 이해하는 양자컴퓨터“나는 이순칠 교수님께 양자역학을 배웠다. 그 강의가 책으로 묶여 나왔다.양자역학의 모든 것이 독창적인 비유와 함께 흥미롭게 서술돼 있다.“_정재승(뇌과학자, 『정재승의 과학 콘서트』 『열두 발자국』 저자)“나는 저자의 강의를 들으며 양자역학을 배웠다.양자역학의 기본부터 양자정보의 최전선까지깊이 있게 제대로 알고 싶은 사람을 위한 책이다.”_김상욱(물리학자, 『떨림과 울림』 『김상욱의 양자 공부』 저자)양자컴퓨터 연구의 국내 최고 권위자 이순칠 카이스트 교수가 집필한 양자역학·양자컴퓨터 입문 교양도서. 전문 지식이 없는 독자에게 양자컴퓨터의 원리와 용도를 충실히 설명하고 쉽게 이해시키기 위해 기획된 책이다. 양자컴퓨터는 중첩과 얽힘 같은 양자역학적 현상을 활용하여 정보를 처리하는 계산 기계로, 정보 사회의 패러다임을 바꾸고 사회 제반의 근간을 뒤흔들 차세대 기술로 여겨진다. 양자컴퓨터에는 늘 뜨거운 관심이 쏟아져왔다. 양자컴퓨터 기술 개발 이슈가 생길 때마다 여러 언론이 앞다투어 보도했고, 국내외 굴지의 기업들이 신사업으로 활발히 추진하고 있으며, 양자컴퓨터 관련주에 관한 대중의 관심도 지대하다. 누구나 한 번쯤 들어봤음직한 양자컴퓨터. 하지만 양자컴퓨터가 무엇인지, 어떻게 작동하는지, 어떤 용도로 사용할 수 있는지 알아보기 위해 대중이 참고할 만한 교양도서는 마땅치 않다. 단순히 업계 동향을 알려주는 데 그치거나, 원리가 설명되어 있더라도 간략히 피상적으로 다루는 책들이 대부분이기 때문에, 그 이상을 알기 위해서는 곧바로 교과서를 공부해야 하는 형편이다. “대한민국 양자컴퓨터 연구를 개척한 물리학자”_김재완(물리학자, 고등과학원 부원장)학계와 대중 사이에 벌어진 이 지식의 틈을 메우기 위해 이순칠 카이스트 교수가 교양도서를 집필했다. 이순칠 교수는 대한민국 양자정보 1세대 연구자로서, 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발하여 “대한민국 양자컴퓨터 연구를 개척한 물리학자”라는 평을 받고 있다. 이 책은 저자가 30여 년간 진행한 카이스트 양자역학 강의의 핵심을 오롯이 담아놓은 책으로, 듣기만 해도 어려워 보이는 양자역학과 양자컴퓨터가 알기 쉽고 매력적인 대상으로 재탄생한다. 양자역학의 기초부터 양자컴퓨터와 양자암호의 핵심 원리, 양자정보기술의 동향과 전망까지, 독자들은 이 책 단 한 권만으로도 양자컴퓨터의 정수를 고스란히 접할 수 있다.양자역학의 기본부터 양자정보기술의 최전선까지우리가 알아야 하는 양자컴퓨터의 모든 것“양자컴퓨터를 이해하는 데 필요한 것을 모두 설명했다.”책의 구성을 살펴보면 이 책이 양자컴퓨터의 A부터 Z까지를 총망라했다는 사실이 확연히 드러난다. 전반부인 1, 2부는 양자컴퓨터를 이해하기 위해서 반드시 알아야 하는 양자역학의 기본을 다룬다. 먼저 1부는 양자역학은 아무도 이해할 수 없다는 사실을 지적하면서 시작한다. 이어서 세상의 삼라만상은 모두 입자인 동시에 파동이라는 과학적 팩트를 설명하고, 양자역학의 핵심 원리인 중첩성과 확률적 해석에 대한 내용을 양자 피아노라는 독창적인 비유를 곁들여 알기 쉽게 전달한다. 2부는 주로 ‘얽힘’이라는 기묘한 양자역학적 현상을 설명한다. 입자 여러 개의 상태가 중첩되어 있을 때 그 입자들이 ‘얽혀 있다’라고 하는데, 바로 이 현상이 양자원격이동(양자전송)과 같은 SF에서 볼 법한 기술과 양자컴퓨터의 밑바탕이 된다. 얽힘과 관련하여 이 책은 아인슈타인이 다른 물리학자들과 공저하여 양자역학을 비판한 기념비적인 논문 ‘EPR 패러독스’의 논지를 살펴보는데, 이 부분을 이보다 쉽고 충실하게 설명한 책은 없을 것이다. 중첩성과 얽힘은 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 혁신적으로 빠른 이유이기 때문에, 양자컴퓨터의 원리를 제대로 이해하려면 그와 같은 기본을 반드시 짚고 넘어가야 한다.후반부인 3, 4, 5부는 본격적으로 양자컴퓨터의 작동 원리와 그 용도를 설명한다. 3부는 양자컴퓨터가 등장한 배경을 살펴보면서 시작하는데, 리처드 파인먼과 찰스 베넷을 위시한 양자정보과학의 대가들이 이끈 양자컴퓨터의 발전 과정이 알기 쉽게 해설된다. 이어서 그 배경 지식을 바탕으로 양자컴퓨터의 기본연산이 일반 컴퓨터와 어떤 점에서 다른지, 양자컴퓨터가 어떤 이유로 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠른 처리 속도를 자랑하게 되었는지, 양자컴퓨터의 연산이 물리적으로 어떻게 구현되는지 들여다본다. 양자컴퓨터의 원리를 이해하기 어려운 이유 가운데 하나는 양자컴퓨터가 우리 눈에 보이지 않는 입자들의 거동을 통해 작동하기 때문이다. 하지만 저자는 머릿속에 쉽게 그려볼 수 있는 ‘회전하는 자석’이라는 상황을 도입하여 이를 통해 양자컴퓨터의 원리를 쉽게 설명해낸다. 4부는 양자컴퓨터 소프트웨어인 데이터검색 알고리즘과 소인수분해 알고리즘의 원리를 설명함으로써 양자컴퓨터가 어떻게 비밀키 암호와 공개키 암호를 모두 격파할 수 있는지 살펴본다. 현대 사회는 인터넷 암호화와 인증 시스템을 기반으로 작동하고 있는데, 양자컴퓨터의 성능이 좋아질수록 암호체계가 더욱 큰 위협을 받게 되므로 이를 살펴보는 일은 대단히 중요하다. 5부는 양자정보기술의 현재를 짚어보고 미래를 전망해본다.독창적인 비유, 흥미진진한 스토리텔링사칙연산만 할 줄 알면 이해할 수 있는양자정보 세계의 놀라운 현상들『퀀텀의 세계』는 놀랍게도 수식을 사용하지 않고 독창적인 비유를 곁들여 모든 내용을 설명한다. 양자역학도 어려운데, 그것을 응용한 양자컴퓨터의 원리를 비전공자들에게 명쾌하게 설명하기란 굉장히 어려운 일이다. 하지만 저자는 독창적인 비유를 적재적소에 사용하여 사칙연산만 할 줄 알면 무리 없이 술술 내용을 이해할 수 있게 했다. 얼핏 들어봐도 아리송한 양자 세계의 중첩과 확률적 해석을 피아노의 화음 연주에 비유하여 설명하는가 하면, 얽힘과 같은 기묘하고도 복잡한 양자 현상을 남녀의 사교춤에 빗대어 명쾌하게 설명해낸다. 일반 과학책답지 않은 유머스러운 문체와 마치 독자와 이야기를 나누는 듯한 서술 방식 또한 낯선 개념을 부담 없이 받아들이게 하는 데 한몫을 톡톡히 해낸다.흥미진진한 스토리텔링을 가미하여 독자들의 접근성을 높인 것 또한 이 책의 큰 특징이다. 독특하게도 이 책은 액자식 구성을 취하고 있다. 미래의 한 국가에서 양자컴퓨터 개발팀의 수장이 대통령을 청자로 다섯 차례의 세미나를 연다는 것이 외부 이야기이고, 그 세미나의 내용이 내부 이야기로 펼쳐지며 양자역학과 양자컴퓨터가 상세히 설명된다. 마치 소설처럼 독자를 단숨에 사로잡는 이 액자식 이야기는 양자컴퓨터가 최초로 개발되면 어떤 일이 벌어질지에 대한 저자의 예측이기도 하다. 이 책에는 또한 각 장 말미에 ‘물리학자들이 사는 세상’이라는 코너가 수록되어 있다. 저자가 물리학자로 살면서 느낀 점들을 흥미롭게 풀어놓은 것으로, 물리학자의 일상을 엿보는 재미가 쏠쏠하다. 특히 저자가 2014년 미국 물리학회에 직접 참여해 보고 들은 경험을 풀어놓은 글(“미국 물리학회장의 디웨이브”, 307쪽)은 양자컴퓨터 연구 최전선에서 무슨 일이 벌어지고 있는지 궁금해하는 독자들이 단연코 흥미롭게 읽을 만하다.“양자컴퓨터는 반드시 만들어진다.”양자의 시대를 살아갈 이들을 위한양자정보 최전선에서 보내온 탁월한 안내서저자에 따르면 양자컴퓨터는 언젠가 반드시 만들어진다. “양자컴퓨터는 더 이상 공상과학이 아니”며, 세계 각국의 대학교와 연구소, 거대기업들이 이미 활발하게 개발하고 있고 양자컴퓨터를 만들지 못할 이론적인 장벽은 없기 때문에 반드시 만들어진다는 것이다. 개발되기만 하면 단번에 세상의 모든 기반을 송두리째 뒤흔들 기술이기에, 양자컴퓨터는 이제 우리 모두가 알아야 할 교양 지식이 되었다. 그동안 수많은 양자컴퓨터 이슈를 접하면서도 정작 그 알맹이를 제대로 살펴볼 기회는 드물었던 상황에서, 『퀀텀의 세계』는 양자컴퓨터라는 미래 기술의 이해에 목말라했던 독자들에게 더없이 좋은 기회가 될 것이다. 머지않아 도래할 양자정보기술 사회를 이해하고 그곳에서 살아가기 위해 가장 먼저 펼쳐봐야 할 지침서가 바로 여기에 있다.