빛의 양자컴퓨터

광양자컴퓨터의 원리와 이론 그리고 실현을 향한 여정

후루사와 아키라 지음 | 채은미 옮김

동아시아 2021년 08월 05일 출간 종이책 : 2021년 08월 04일 출간

작품소개

책소개

혁신적인 광양자컴퓨터 실현의
초읽기는 이미 시작되었다!

세계 최초로 양자텔레포테이션에 성공한 도쿄대(東京大) 후루사와 아키라 교수가
직접 소개하는 양자컴퓨터의 혁신 기술

목차

시작하며

제1장 양자의 불가사의한 현상
발열을 0으로 만들기 | ‘양자중첩’과 ‘입자와 파동의 이중성’ | 서로 대립하는 이론 | 공간을 뛰어넘는 상관관계

제2장 양자컴퓨터는 실현 불가능한 것인가
연구 개발의 가속 | 세계적인 기업과 연구기관의 뼈를 깎는 노력 | 쇼어 박사가 불러온 충격 | 고속 계산을 위한 세 가지 방법 | 저소비전력의 이유 | 양자역학의 중요한 네 가지 성질 | 양자비트로서의 양자중첩과 양자얽힘의 역할 | 극도로 어려운 양자컴퓨터 개발 | 연구 개발이 진행 중인 양자비트 방식들

제3장 빛의 가능성과 우위성
‘양자텔레포테이션’은 ‘텔레포테이션’이 아니다 | 불확정성원리로부터는 도망칠 수 없다 | 양자텔레포테이션의 방법 | 빛을 이용할 경우의 우위성 | 빔 스플리터로 양자얽힘 상태를 만들다 | ‘양자 오류 정정’이라는 높은 장애물 | 물리비트와 논리비트 | 양자 오류 정정의 구세주 | 빛이 앞서가는 양자 오류 정정 | 고속화와 광대역화를 양립시키다

제4장 양자텔레포테이션을 지배하다
양자텔레포테이션 연구의 계기 | 빛의 입자성을 다루는 한계 | 캘테크라는 터닝 포인트 | 빛으로 빛의 위상을 제어하다 | 차일링거 교수 그룹의 양자텔레포테이션 실험 | 1998년, 완전한 양자텔레포테이션에 성공하다 | 맥주 한 잔을 건 실험 | 2004년, 3자 간 양자얽힘 상태의 양자텔레포테이션 네트워크에 성공하다 | 실험 성공의 핵심

제5장 난제 타개의 포석
2009년, 9자 간 양자얽힘 상태의 제어에 성공하다 | 일본인이기에 할 수 있는 실험 | 2011년, 슈뢰딩거의 고양이 상태의 양자텔레포테이션에 성공하다 | 슈뢰딩거의 고양이 상태를 양자텔레포테이션 할 수 있는가 | 중력파 관측에도 공헌한 조임 상태의 빛을 개발하다 | 시판 제품이 없다면 스스로 개발한다 | ‘크레이지’한 벤처기업 사장과의 공동 개발 | 세계 최고 수준의 요구 사항

제6장 실현을 향한 카운트다운
시간영역다중을 확장하다 | 시간영역다중의 실현에 도전하다 | 빛으로 1만 배의 고속 성능도 실현 가능하게 | 시간영역다중 일방향 양자계산방식을 이용한 광양자컴퓨터 | 연속량 처리의 장점 | 2차원에서의 초대규모 양자얽힘 | 2015년, 양자텔레포테이션의 심장부를 광칩으로 만들다 | 광자메모리의 개발 | 혁신적 발명 ‘루프형 광양자컴퓨터’ | 이제 시야에 들어온 광양자컴퓨터의 완성 | 이례적인 연구 방침 | 양자컴퓨터가 가져올 미래 사회

마치며
옮긴이의 글

출판사 서평

현재 양자컴퓨터는 다양한 플랫폼에서 연구 개발이 진행 중이다. 바야흐로 양자컴퓨터의 ‘춘추전국시대’이다. 초전도 물질, 극저온 원자, 이온, 빛(광자) 등 다양한 후보들이 저마다의 장단점을 가지고 장래 상용 양자컴퓨팅 시스템이 되고자 힘겨루기를 하고 있다. 이 책 『빛의 양자컴퓨터』에서는 그중에서 빛을 이용한 양자컴퓨터 연구 개발을 소개한다. 광자는 빛의 속도로 이동한다는 성질을 살려서 양자통신 분야에서 주목을 받고 있으나, 정보를 처리하고 저장하는 양자컴퓨터의 플랫폼으로서는 다른 경쟁자들보다 주목을 덜 받아왔다. 하지만 지은이는 극저온에서만 작동하는 다른 플랫폼과 달리 상온에서 작동시킬 수 있는 빛만이 궁극적으로 상용 양자컴퓨터를 만들 수 있다 믿고, 빛이 가진 장점을 최대한 살려서 연구를 진행하고 있다.

미래를 이끌 양자컴퓨터 그리고 광양자컴퓨터
지금 전 세계가 주목하는 이유는 무엇일까
2021년 7월, 일본에서 IBM이 제작한 상용 양자컴퓨터(quantum computer)가 가동에 들어갔다는 소식이 전해졌다. 도쿄대학교와 도요타자동차 등 12개 업체는 이 양자컴퓨터를 활용해 소재 개발 프로젝트 등을 수행할 계획이라고 한다. 일본에서 상용 양자컴퓨터가 가동되는 것은 처음이다. 일본뿐 아니라 그보다 먼저인 2017년 5월, 중국과학기술대학의 판젠웨이(潘建偉) 원사가 상하이(上海)에서 중국 과학연구팀이 개발한 광양자(photon)컴퓨터로 기존의 양자계산 능력을 초월하는 데 성공했다고 발표했다. 기존 컴퓨터의 양자계산 능력을 크게 뛰어넘는 세계 최초의 광양자(photon)컴퓨터가 중국에서 탄생한 것이다. 그렇다면 이렇게 연구 및 개발이 가속화되고 있는 양자컴퓨터 그리고 광양자컴퓨터는 과연 무엇일까?
양자역학(quantum mechanics, 量子力學)을 이용하는 양자컴퓨터는 연산 능력을 비약적으로 높여 ‘꿈의 컴퓨터’라고 불리기도 한다. 슈퍼컴퓨터보다 수억 배 빠른 양자컴퓨터는 각종 소재 연구나 금융 상품 개발·분석 등 여러 분야에서 활용되고 있으며, 양자컴퓨터를 효과적으로 활용하는 것은 향후 산업경쟁력을 높이는 데 중요한 요소가 될 수 있다는 평가가 나온다. 미국 IBM, 구글, 인텔, 마이크로소프트 등과 중국 글로벌 IT 기업들 역시 개발에 속도를 내고 있다.
20세기 초 뉴턴역학으로 설명할 수 없던 원자 세계의 질서를 밝혀낸 학문적 혁명을 1차 양자혁명이라고 한다면, ‘양자중첩(quantum superposition, 量子重疊)’과 ‘양자얽힘(quantum entanglement)’이라는 양자의 물리학적 속성이 컴퓨터, 통신, 센서 등 실제 기술에 적용된 것을 2차 양자혁명이라고 할 수 있다. 양자중첩은 0과 1의 두 신호가 섞여 있는 상태인데, 이를 구현한 양자비트(quantum bit), 즉 큐비트(qubit, 양자컴퓨터의 연산단위)로 컴퓨터를 만들면 데이터를 동시다발적으로 처리해 막강한 연산 능력을 가진 양자컴퓨터가 된다. 양자얽힘은 원자나 이온 등 양자 2개가 아무리 멀리 떨어져 있어도 마치 서로 연결된 것처럼 행동해 하나의 상태가 바뀌면 나머지 하나도 바뀌는 것을 말한다.
기존의 양자컴퓨터에서는 원자나 이온, 초전도, 스핀을 양자비트로 사용했다. 반면, 빛을 이용한 양자컴퓨터, 즉 광양자컴퓨터의 최대 특징은 양자비트로 빛의 양자인 광자(photon, 광양자)를 사용한다는 점이다. 광자는 당연히 빛의 속도로 움직이고 있기 때문에 ‘정지형 양자비트’가 아니라 ‘비행형 양자비트’라고 부를 수 있다. 따라서 광자를 사용한 양자컴퓨터를 구별하여 ‘광양자컴퓨터’라 한다. 실온이나 대기 중에서도 동작하기 때문에 중첩 상태나 양자얽힘을 생성하고 유지하는 데 거대한 냉각 장치나 진공 장치가 불필요하여 실용성이 높다는 점, 빛은 공간을 광속으로 이동하기 때문에 정보 통신에도 그 상태로 이용할 수 있다는 점 등을 그 특징으로 들 수 있다.

양자, 광자, 양자중첩, 양자얽힘, 양자텔레포테이션……
슈퍼컴퓨터를 훨씬 뛰어넘는 저소비전력과 고속 계산
복잡하고 불가사의한 양자역학과 양자컴퓨터는 무엇?
양자컴퓨터의 원리를 이해하기 위해서는, 먼저 ‘양자’란 무엇인가를 알아야 한다. 양자란 간단하게 말하면, 원자나 분자, 전자, 광자 등의 아주 작은 물질이나 에너지의 단위이다. 이 세계의 물질을 끝까지 잘게 분해하면 분자에서 원자, 원자에서 양성자나 중성자, 그리고 전자, 광자 등의 소립자에 도달한다. 이러한 아주 작은 세계에서는, 에너지가 연속적인 값이 아닌 이산적인(띄엄띄엄 떨어진) 불연속 값을 취한다. 이것을 ‘양자화’라고 한다. 그리고 이러한 양자 특유의 물리현상을 기술하는 것이 양자역학이다.
양자컴퓨터를 실현할 때 빼놓을 수 없는 것이 앞서 말한 ‘양자중첩’과 ‘양자얽힘’이다. 이것들은 양자 특유의 아주 불가사의한 현상으로, 양자역학이 일반적으로 어렵

작가정보

저자(글) 후루사와 아키라

저자 : 후루사와 아키라
古澤明
일본의 물리학자. 1961년에 일본 사이타마현(埼玉?)에서 태어났다. 1984년에 도쿄(東京)대학교 공학부 물리공학과를 졸업하고, 1986년에 같은 대학교 대학원 공학계연구과 물리공학 전공의 석사 과정을 수료한 뒤, 주식회사 니콘에 입사했다. 도쿄대학교 선단과학기술연구센터 연구원, 캘리포니아공과대학교Caltech 객원연구원, 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 조교수를 거쳐, 2007년부터 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 교수로 재직 중이다. 지은 책으로는『 양자텔레포테이션』, 『양자얽힘이란 무엇인가』 등이 있다.

역자 : 채은미
1983년에 서울에서 태어났다. 2002년에 명덕외국어고등학교를 졸업한 후, 일본으로 유학을 갔다. 2007년에 도쿄(東京)대학교 공학부 물리공학과를 졸업하고, 2009년에 같은 대학교 대학원 공학계연구과 물리공학 전공의 석사 과정을 수료했다. 그 후, 미국 하버드(Harvard)대학교 물리학과 박사 과정에 진학하여 2016년에 박사 학위를 받았다. 교토(京都)대학교 박사후연구원, 도쿄대학교 대학원 공학계연구과 조교수를 거쳐, 2020년부터 고려대학교 물리학과 조교수로 재직하고 있다. 극저온 분자와 빛을 이용한 양자기술개발 연구를 진행 중이다.

번역 채은미