처음 읽는 양자컴퓨터 이야기

양자컴퓨터, 그 오해와 진실 개발 최전선에서 가장 쉽게 설명한다!

다케다 슌타로 지음 | 전종훈 옮김

플루토 2022년 05월 31일 출간 종이책 : 2021년 11월 11일 출간

작품소개

책소개

양자컴퓨터, 그 오해와 진실
개발 최전선에서 가장 쉽게 설명한다!

양자컴퓨터, 진짜로 무엇인가? 진짜 있기는 한 건가?
양자컴퓨터. 잘은 모르겠지만, 뭔가 엄청난 기능을 갖고 상상초월의 능력을 펼칠 법한 기계 같다. 아무리 들어도 알쏭달쏭한 ‘양자’라는 이름까지 달고 있으니, 더욱 그렇다. 그래서 양자컴퓨터는 영화나 SF소설 속에서만 존재하는 미래의 만능 비밀 도구쯤으로 생각하는 사람들도 있지만, 실제 현존하는 기계다.
IBM은 2019년 1월부터 양자컴퓨터를 판매하기 시작했고, 심지어 이 글을 읽고 있는 여러분 누구나 IBM 웹페이지에서 양자컴퓨터를 무료로 이용해볼 수 있다. 또 구글에서는 2019년 10월 “최첨단 슈퍼컴퓨터로도 푸는 데 1만 년 걸리는 문제를 우리 회사의 양자컴퓨터가 200초 만에 풀었다”라고 발표하면서 세상을 떠들썩하게 만들기도 했다.

목차

머리말
감수자의 글

1장 양자컴퓨터는 미래의 만능 비밀 도구인가?
양자컴퓨터는 미래의 비밀 도구?
뜨겁게 불고 있는 양자컴퓨터 붐
오해투성이 양자컴퓨터
오해 1 양자컴퓨터는 온갖 계산을 빠르게 처리한다?
오해 2 양자컴퓨터는 병렬계산을 하기 때문에 빠르다?
오해 3 양자컴퓨터는 머지않아 실용화된다?
컴퓨터, 그 시작
컴퓨터의 한계, 무어의 법칙
양자컴퓨터의 열쇠, 미시 세계의 물리법칙
양자컴퓨터의 탄생
쓸 만한 양자컴퓨터의 활약
칼럼 1 | 양자컴퓨터에는 양자 게이트 방식과 양자 애닐링 방식의 두 가지가 있다고?

2장 양자역학의 가장 아름다운 실험과 양자컴퓨터의 탄생
양자컴퓨터와 양자역학
작은 세계의 법칙, 양자역학
2중 슬릿 실험 수면을 나아가는 파동이라면
2중 슬릿 실험 전자 한 개라면
전자는 두 슬릿을 동시에 통과한다?
중첩은 벽에 부딪힌 순간 깨진다
중첩 ‘방식’도 여러 가지
2중 슬릿 실험이 보여주는 양자컴퓨터의 계산 원리
왜 일상 세계와 미시 세계는 다른가

3장 양자컴퓨터는 어떤 원리로 계산하는 걸까?
현대의 컴퓨터와 양자컴퓨터, 어떻게 다를까?
현대 컴퓨터가 정보를 처리하는 원리
기본적인 비트 변환 = 논리연산
논리연산을 조합하면 어떤 계산도 가능하다
비트와 논리연산의 양자 버전은?
중첩 방식, 양자비트가 정보를 나타내는 법
양자비트의 한계
양자비트 한 개의 중첩 방식을 바꾸는 양자 논리연산
양자비트 두 개를 연계시키는 양자 논리연산
양자컴퓨터는 파동을 조종해서 답을 찾는 계산 장치
병렬계산만으로는 계산이 빨라지지 않는다
칼럼 2-1 | 일반적인 컴퓨터와 양자컴퓨터의 덧셈 회로
칼럼 2-2 | 양자컴퓨터는 거슬러갈 수 있는 컴퓨터

4장 양자컴퓨터의 계산이 빠른 진짜 이유
양자컴퓨터의 계산 속도에 관한 오해
컴퓨터가 잘 처리하지 못하는 문제
양자컴퓨터가 현대의 컴퓨터보다 ‘빠르다’는 것은 어떤 의미?
양자컴퓨터가 빠르게 계산할 수 있는 문제
양자컴퓨터가 할 수 있는 빠른 계산 1 그로버 해법
그로버 해법의 구체적인 계산 순서
양자컴퓨터가 할 수 있는 빠른 계산 2 양자 화학 계산
구체적인 화학 계산 순서
양자컴퓨터로 빨리 계산할 수 있는 그 밖의 유형
칼럼 3 | 53개의 양자비트가 슈퍼컴퓨터를 이긴 비결

5장 양자컴퓨터, 어떻게 만들까?
어떤 양자를 선택할 것인가?
양자컴퓨터 만들기는 너무 어렵다
컴퓨터에는 오류 정정 기능이 필수인데…
현재 양자컴퓨터 개발은 어디까지 왔나
양자컴퓨터 개발의 주요 방식 네 가지
양자컴퓨터 개발 방식 1 초전도 회로 방식
양자컴퓨터 개발 방식 2 이온 방식
양자컴퓨터 개발 방식 3 반도체 방식
양자컴퓨터 개발 방식 4 광 방식
양자컴퓨터의 미래
칼럼 4 | 실제로 양자컴퓨터를 사용해보자

6장 지극히 현실적인 광 양자컴퓨터 개발 현장의 최전선
양자컴퓨터 개발의 현실
내가 광 양자컴퓨터 연구를 시작한 계기
광 양자컴퓨터 실현의 열쇠, 양자 텔레포테이션
루프형 광 양자컴퓨터 방식으로 대규모화를 노린다
실제 연구 개발 현장
테이블 위 광 회로
매우 예민한 광 회로
고생스럽지만 즐거운 연구 개발 현장
광 양자컴퓨터, 아직 갈 길이 멀다
이제 막 산을 오르기 시작했다
칼럼 5 | 광양자가 활약할 미래

맺음말
참고문헌

출판사 서평

“젊은 양자컴퓨터 개발자 중에서 가장 빛나는 연구자가 쓴 획기적인 책.
양자컴퓨터의 본질을 보여준다!”

세계 최초로 양자 텔레포테이션 실현, 광 양자컴퓨터의 대가
도쿄대학교 후루사와 아키라 교수

“이 책의 저자인 다케다 슌타로 교수는 도쿄대학교에서 빛의 양자물리학인
양자광학에 기반한 양자컴퓨터를 연구하고 있다.
양자물리학의 원리를 설명하면서 이 책을 시작한 저자는
양자컴퓨터를 둘러싼 오해와 양자컴퓨터가 능력을 발휘할 수 있는 문제들을 소개하고, 마지막으로 실제 양자컴퓨터를 어떻게 만드는지 보여준다.”

고등과학원 부원장 김재완 교수

양자컴퓨터, 진짜로 무엇인가? 진짜 있기는 한 건가?
양자컴퓨터. 잘은 모르겠지만, 뭔가 엄청난 기능을 갖고 상상초월의 능력을 펼칠 법한 기계 같다. 아무리 들어도 알쏭달쏭한 ‘양자’라는 이름까지 달고 있으니, 더욱 그렇다. 그래서 양자컴퓨터는 영화나 SF소설 속에서만 존재하는 미래의 만능 비밀 도구쯤으로 생각하는 사람들도 있지만, 실제 현존하는 기계다.
IBM은 2019년 1월부터 양자컴퓨터를 판매하기 시작했고, 심지어 이 글을 읽고 있는 여러분 누구나 IBM 웹페이지에서 양자컴퓨터를 무료로 이용해볼 수 있다. 또 구글에서는 2019년 10월 “최첨단 슈퍼컴퓨터로도 푸는 데 1만 년 걸리는 문제를 우리 회사의 양자컴퓨터가 200초 만에 풀었다”라고 발표하면서 세상을 떠들썩하게 만들기도 했다.
이런 이야기를 듣는다면, ‘이 엄청난 기계가 진짜로 있었구나! 이제부터 상상도 못 했던 일들이 벌어지겠구나!’ 하고 생각할지도 모르겠다. 그런데 이 생각도 맞지는 않다. 아직은 말이다. 현존하는 양자컴퓨터는 (언젠가 나올) 진짜 양자컴퓨터의 미니어처 버전에 불과하다.
그렇지만 그 거대한 가능성 때문에 양자컴퓨터는 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다. 유럽과 미국, 중국 등은 국가 방침까지 정해서 양자컴퓨터 개발에 상당한 힘을 쏟고 있고, 구글을 비롯해 IBM, 인텔, 마이크로소프트와 같은 IT 대기업들은 독자적으로 양자컴퓨터를 개발하고 있다. 또 많은 사람들이 양자컴퓨터에 큰 기대감을 걸고 있으며, 언론 매체에서는 양자컴퓨터에 대한 기사를 쏟아내고 있다.
문제는 사실상 양자컴퓨터의 실체가 잘 알려지지 않은 상태에서 아주 피상적이거나 잘못된 정보가 넘치고 있다는 점이다. 양자컴퓨터의 정체를 정확히 이해한다면 양자컴퓨터는 ‘어떤 문제든 처리한다, 무조건 계산이 빠르다, 조만간 실현될 것이다’라는 식의 생각이 얼마나 큰 오해인지 알 수 있다.
도쿄대학교의 젊은 양자컴퓨터 개발자 다케다 ？？타로 교수는 《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》를 통해 양자컴퓨터가 과연 무엇인지, 어떤 원리로 작동하는지, 왜 빠른지 알기 쉽게 설명하면서 양자컴퓨터에 얽힌 오해와 그 진짜 가능성을 밝히려고 한다. 또한 사람들의 양자컴퓨터에 대한 ‘근거 없는’ 기대감을 ‘근거 있는’ 기대감으로 바꾸고자 한다.
그리고 양자컴퓨터 개발 현장을 소개하면서 실제 양자컴퓨터 장치가 어떤 것인지 생생하게 보여준다. 저자는 양자컴퓨터와 관련된 사실을 고스란히 전달하기 위해서 언론 매체에서는 좀처럼 접하기 힘든 부정적인 정보도 함께 소개한다. 독자들은 저자의 이런 설명들을 통해 양자컴퓨터의 본질을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

양자컴퓨터에 관한 가장 쉽고 가장 현실적인 이야기
《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》의 저자인 다케다 ？？타로 교수는 도쿄대학교에서 양자광학에 기반하여 양자컴퓨터를 연구하고 있다. 저자는 우선 양자컴퓨터의 기반인 양자물리학을 설명하면서 양자컴퓨터가 모든 문제를 다 잘 처리하는 것이 아니라 특출나게 능력을 발휘하는 문제 패턴이 있다는 사실부터 소개한다. 양자컴퓨터에 대한 오해는 그 원리를 잘 모르는 일반 대중에게 새로운 컴퓨터 기술이 부정확하고 과장되게 알려지면서 확산된 것이므로, 이러한 저자의 설명을 읽고 나면 저자가 왜 그렇게 ‘현재 양자컴퓨터는 오해받고 있다’라고 하는지 저절로 머리가 끄덕여질 것이다. 이 책은 6장으로 되어 있다.
1장 양자컴퓨터는 미래의 만능 비밀 도구인가?에서는 가장 먼저, 양자컴퓨

작가정보

저자(글) 다케다 슌타로

저자 : 다케다 순타로
1987년 도쿄에서 태어났다. 일본에서도 몇 안 되는 양자컴퓨터 개발자로서 현재 도쿄대학교 대학원 공학계 연구과 준교수다. 전공은 양자광학과 양자정보과학. 도쿄대학교 대학원 공학계 연구과 박사과정 후 분자과학연구소를 거쳐 2019년부터 도쿄대학교 준교수로 재직중이다. 지금까지 빛을 이용해서 다양한 양자 기술을 연구했으며, 현재는 독자적인 방식의 광 양자컴퓨터 개발에 힘쓰고 있다.

역자 : 전종훈
서울대학교와 일본 도쿄대학교에서 전자공학을 공부했다. 북유럽에서 디자인을 공부한 후 산업디자이너로 활동하면서 엔터스코리아에서 일본어 전문 번역가로 활동하고 있다.
옮긴 책으로는 《양자야 이것도 네가 한 일이니》 《청소년을 위한 인공지능 해부도감》 《AI 시대, 문과생은 이렇게 일합니다》 《즐겁게 배우는 알고리즘과 프로그래밍 도감》 《로봇의 세계》 《비행기 역학 교과서》 《선박 구조 교과서》 《비행기 구조 교과서》 《인공지능의 세계》 《우리 가족 재난 생존법》 등이 있다.

감수 : 김재완
서울대학교 물리학과를 졸업하고, 미국 휴스턴대학교 물리학과에서 고체물리, 양자동역학, 양자카오스 연구 등으로 박사학위를 받은 후, 삼성종합기술원에서 계산과학팀장을 맡아 다양한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행했다. 1990년대 후반 양자컴퓨터와 양자암호 등을 연구하자고 회사에 제안하였으나 그때는 너무 일렀던 듯하다. 이후 카이스트 물리학과를 거쳐 2002년부터 고등과학원에서 연구하며, 양자정보분야 국제학술대회인 AQIS 운영위원장, 미래양자융합포럼 공동의장을 맡고 있다. 2021년 현재 고등과학원의 부원장 겸 교수로 재직 중이다.

번역 전종훈