미래의 학자들을 위한 친절한 양자 정보학 지침서
―정재승(카이스트 교수)

★ KAIST를 사로잡은 강의들을 응축한 카이스트 명강 PLUS의 첫 책!

이 책은 현재 진행 중인 양자 정보 이론의 기초부터 최전선까지 꼼꼼히 정공법으로 다룬다. 이공계 학부, 대학원생의 교재로 손색이 없다고 생각한다. 이제 우리도 양자 정보를 설명하는 제대로 된 우리말 책을 가지게 된 것 같아 기쁘다.―김상욱(부산 대학교 교수)

양자 정보 시대를 위해 대한민국 제일의 권위자가 마련한 최초이자 최고의 강의

바야흐로 ‘양자 정보 혁명’의 시대가 오려 하고 있다. 정보 혁명 시대를 열었던 IBM, 마이크로소프트 등 초거대 IT 기업들이 양자 정보학, 양자 컴퓨팅 연구에 총력을 기울이고 있기 때문이다. 양자 정보학, 양자 컴퓨터는 이제 더 이상 과학자들의 공상 속에만 존재하는 꿈의 기술이 아니다. 특히 IBM이 개발한 양자 컴퓨터 ‘Q 시스템’은 삼성전자, JP 모건 체이스, 다임러 등 세계적인 기업들이 적극 도입을 결정하면서 상용화 준비를 끝마쳤다. 중국 정부도 올 9월 양자 컴퓨터, 양자 암호 등 양자 정보학을 연구하는 국립 양자 정보 과학 연구소를 건설하기 위해 760억 위안(약 13조 원)의 자금을 투입하겠다는 결정을 내려 전 세계 연구자들의 이목을 모았다. 중국 정부의 목표대로 2020년 기존 컴퓨터보다 100만 배 빠른 양자 컴퓨터가 개발된다면 그 경제적, 정치적, 그리고 군사적 파장은 엄청날 것이다.
반도체, 금융, 자동차 등 21세기 핵심 산업들에 부는 양자 정보 혁명의 바람 앞에 모든 것이 변할 것이다. 양자 컴퓨터가 개발된다면 현재의 암호 시스템에 기반한 가상 화폐 시스템은 송두리째 붕괴할 것이다. 양자 컴퓨터의 공격으로부터 살아남을 수 있는 ‘양자 저항’이 필요한 것이다. 또 마이크로소프트 등이 개발 중인 양자 컴퓨터 언어는 현존하는 모든 컴퓨터 언어를 대체할 것이다. 올해 발표된 MIT ‘10대 혁신 기술’, 세계 경제 포럼 ‘10대 이머징 테크놀로지스(Emerging Technologies)’, 그리고 KT 경제 경영 연구소 ‘한국을 이끄는 10가지 ICT 트렌드’ 등에 빠짐없이 양자 정보 기술이 포함된 것은 이런 시대 상황을 잘 반영하고 있다.
수 년 전부터 이를 예견했던 고급 과학 독자들 및 전공자들은 양자 역학이 지배하는 차세대 정보 이론, 양자 정보학의 이론서, 교양서를 갈구해 왔다. 하지만 마땅한 국내서가 없어 아쉬운 실정이었다. 2013년에 (주)사이언스북스에서는 양자 정보학 국내 1인자인 이해웅 유니스트(울산 과학 기술원) 교수(당시 카이스트 물리학과 명예 교수)를 비롯해 정하웅 카이스트 물리학과 교수, 김동섭 카이스트 바이오및뇌공학과 교수의 공저로 양자 정보학, 네트워크 정보학, 그리고 생명 정보학의 최전선을 소개하는 「카이스트 명강」 1권 『구글 신은 모든 것을 알고 있다』를 펴내 양자 정보학에 대한 과학 독자들의 갈증을 달랬다.
그러나 점점 거세지는 양자 정보 혁명의 바람 앞에 전문 양자 정보학 지식을 습득하고자 하는 수요는 점점 늘고 있다. 이 니즈를 충족시키기 위해 이해웅 교수가 다시 한번 나섰다. (주)사이언스북스가 한국 과학 기술원(카이스트)의 출판부인 카이스트 프레스와 함께 기획해 새로 마련한 「카이스트 명강 PLUS」 시리즈 첫 번째 책, 이해웅의 『양자 정보학 강의』는 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 암호 등 최신 이론과 연구 성과를 모두 담은, 국내 유일의 양자 정보학 교과서이다. 『구글 신은 모든 것을 알고 있다』에서 다룬 양자 정보학의 내용을 심화시켜, 양자 정보학의 진수를 제대로 맛보고자 하는 일반 독자에서부터 양자 정보학과 양자 컴퓨터를 전공으로 삼고자 하는 대학원생, 및 산업계의 전문 개발자들을 위해 양자 정보학과 양자 컴퓨터 연구를 위한 양자 역학과 광학 등의 기초 원리에서부터 양자 암호학과 양자 연산 같은 심화 응용까지 필수적인 과정을 모두 담았다. 실제 연구 개발 현장에서 쓰일 수학 계산, 용어, 개념들을 가감 없이 소개할 뿐만 아니라 100여 개에 달하는 친절한 그림 설명을 곁들여 독자들이 양자 정보학의 수학적 논리 과정을 무리 없이 따라올 수 있도록 돕는다.
이 책은 우리나라 최초로 양자 정보학의 연구를 시작하고, 수많은 논문을 발표해 온 권위자가 자신의 공부를 국내 후학들에게 소개하기 위해 10여 년에 걸쳐 다듬고 집필해 온 역작이다. 양자 컴퓨터와 양자 정보학의 기초 개념이 되는 ‘양자 얽힘’ 현상 연구자들이 노벨상을 받았던 2012년 이전부터 준비해 온 이 책은 오랜 기간 동안 학습자 중심의 치밀한 구성과 완성도 높은 내용을 담아내고자 했던 노력의 결과물이다. 양자 정보학의 기초 단계인 양자 역학과 양자 광학을 먼저 다룬다. 그리고 핵심 이슈인 양자 컴퓨터, 양자 통신, 양자 암호 등과 관련한 이론 및 수학적 기술 방법들을 빠짐없이 소개한다. 학습을 돕기 위해 저자가 직접 만든 챕터별 연습 문제와 해답 또한 준비되어 있다. 정재승 카이스트 교수와, 카이스트에서 저자에게 박사 과정 지도를 받아 현재 양자 역학 연구자 및 과학 커뮤니케이터로 활동하고 있는 김상욱 부산 대학교 교수가 입을 모아 극찬한 이유는 바로 이 때문이다.
저자 이해웅 유니스트 교수는 서울 대학교를 졸업하고 미국 피츠버그 대학교에서 양자 광학을 주제로 박사 학위를 받았다. 오클랜드 대학교 물리학과 부교수, 카이스트 물리학과 교수, 물리학과장, 교무처장을 거쳐 현재 카이스트 물리학과 명예 교수 및 유니스트 석좌 교수로 재직 중이다. 양자 정보학 등의 분야에서 100여 편의 논문을 발표했다. 국내 최초로 양자 정보학 연구를 시작해 현재까지 선구자 역할을 하고 있다. 양자 정보학 연구에 관한 공로로 2006년에는 3·1 문화상 학술상(자연 과학 부문)을, 2008년에는 카이스트 우수 강의상을 받았다. 김상욱 부산 대학교 교수 등 저명한 과학자들을 지도했던 원로 물리학자인 그는 첨단 과학 대중화를 위해 강연과 집필 활동 역시 활발히 하고 있다.
「카이스트 명강 PLUS」 시리즈는 KAIST PRESS와 (주)사이언스북스가 공동 기획하는 새로운 과학 기술 총서이다. 대한민국 일급 연구자들이 과학 영재들과 나누는 첨단 과학 기술의 연구와 강의 현장을 시민 사회와 공유하기 위해 만들어진 시리즈로 과학 기술 석학의 예지(叡智)가 담겼다. 해당 분야 전문가들은 물론이고, 미래를 준비하는 입문자들이 첨단 과학 기술의 기초 원리와 다양한 응용 가능성을 확인하고 실력을 다질 수 있는 기회를 제공할 것이다.
이해웅 교수가 미래 양자 정보 사회를 선도할 카이스트 학생들에게 가르쳤던 내용을 담은 『양자 정보학 강의』가 「카이스트 명강 PLUS」의 첫 책으로 가장 적합하다고 할 수 있다. 차세대 정보 전문가가 되고 싶은 이들, 기존 양자 역학 및 정보 이론 교양서 너머의 지식을 얻고 싶은 이들을 포함해 양자 컴퓨터, 양자 정보학 입문자들을 위한 단 하나의 지침서가 바로 여기에 있다.


양자 컴퓨터, 양자 암호, 양자 통신 등 차세대 정보 이론과 실험의 모든 것

이 책은 양자 정보학의 모든 핵심 이론에 대한 포괄적인 소개와 양자 정보 처리의 원리와 방법에 대한 깊이 있는 설명 및 분석을 제공하는 것을 목표로 한다. 특히 양자 정보학의 주 연구 과제인 양자 전산, 양자 암호, 양자 통신의 원리와 방법을 상세히 논의한다.―본문에서

이 책은 크게 세 가지 부분으로 구성되어 있다. 30여 년간 급격하게 발전해 왔던 양자 정보학의 과거, 현재를 보여 주고 입문자를 위한 양자 정보학을 위한 기초 과정을 마련한 첫 번째 부분, 현재 양자 정보학이 가장 활발히 응용되고 있는 분야들, 즉 양자 컴퓨팅, 양자 암호, 양자 통신 등을 수학적 논리와 친절한 그림 설명으로 가르치는 두 번째 부분, 양자 정보학의 미래를 전망하는 세 번째 부분이 바로 그것이다.
1장 「양자 정보학을 위한 양자 물리학」은 양자 정보학을 이해하기 위해 가장 처음으로 거쳐야 할 준비 과정이다. 선형 중첩과 파동 함수 등 기초 양자 역학 지식부터 본격적으로 양자 정보학에 응용될 개념인 슈미트 분해, POVM, 결잃음 등을 소개한다.
현재까지 양자 정보학의 실험들이 대부분 광학적 실험들로 수행되었기 때문에 2장 「양자 정보학을 위한 양자 광학」 역시 필수적인 기초 과정이다. 간섭성, 압축 등 양자 광학의 핵심 개념들은 물론 광분할기, 호모다인 측정 등 실험에 필요한 지식까지 제공한다.
3장 「양자 얽힘」은 양자 정보학의 본격적인 출발점이라고 할 수 있다. 기존의 고전 정보학과 차세대 양자 정보학을 확연히 구분해 주는 자연의 성질, 얽힘에 대해 다룬다. 알베르트 아인슈타인, 에르빈 슈뢰딩거 등을 중심으로 철학적 논쟁의 대상으로 탄생했던 얽힘 개념은 안톤 차일링거의 실험에 의해 실제로 규명되었다. 양자 얽힘의 정의와 EPR 논쟁, 그리고 차일링거가 실험에 사용했던 벨 부등 관계 등을 설명하면서 본격적인 양자 정보학의 세계로 진입한다.
4, 5, 6장은 양자 정보학의 세 중요 과제를 다루면서 이 책의 핵심을 이룬다. 4장 「양자 전산」은 전자 회로를 통해 실현할 수 있는 고전 전산의 방법들을 간단히 되짚고, 양자 전산 방법들을 연결해 소개한다. 양자 회로를 구성하고 필요한 전산을 수행하는 방법을 배울 수 있다. 도이치 알고리듬, 그로버 알고리듬, 쇼어 알고리듬 등 현재 가장 중요한 양자 전산 방법은 물론 단방향 양자 전산, 클러스터 상태 양자 전산 등 지금보다 한걸음 더 나아간 이론까지 소개하면서 미래 너머의 미래 양자 정보학을 선사한다.
5장 「양자 암호」는 양자 정보학 응용 분야 중에서 가장 대중적이고 투자가 활발한 양자 보안 및 해킹에 대한 기초 이론으로 구성된다. 고전 암호의 ‘계산적 안전성’과 근본적으로 다른, 양자 암호의 ‘절대적 안전성’을 어떻게 구현할 수 있을지 자세히 설명하고 있다. BB84, B92, E91 등 구체적인 양자 암호 전달 방식들, 그리고 그 도청 방식들을 모두 배울 수 있는 챕터이다. 실험적으로 많은 진전을 보인 분야인 만큼 양자 암호 전달을 실제로 구현한 실험 방법들 역시 곁들여 설명한다.
6장 「양자 통신」은 양자 얽힘을 이용한 새로운 패러다임의 통신 기술을 소개한다. 이른바 양자 텔레포테이션은 송신자와 수신자가 양자 얽힘을 공유하고 ‘벨 상태 측정’이란 특정한 형태의 측정을 통해 구현할 수 있다. 이에 필요한 개념들인 벨 상태, 양자 텔레포테이션 등을 주로 다룬다.


미래 너머의 미래를 만들 양자 정보학 강의

한국에서 양자 정보학을 전공하는 대학원생과 양자 정보학에 입문하는 연구자들을 대상으로 이들이 빠르게 발전해 가고 있는 양자 정보학의 중심에 들어가 첨단의 연구를 좀 더 수월히 수행하는 데 도움을 주고자 이 책을 쓰게 되었다. 또한 이 책으로 인해 양자 정보학이 한국에 더 널리 알려지는 계기가 되기를 바라는 마음이다.―본문에서

양자 정보학은 최근 30여 년 동안 눈부신 발전을 이룩했다. 현재 진행 중인 동시에 미래 지향적인 학문이다. 이러한 학문적 특성 때문에 이 책은 7장 「양자 정보학의 미래」를 특별히 마련해 놓았다. 이 챕터에서는 양자 암호, 양자 텔레포테이션, 양자 전산의 각 분야에서 현재까지의 실험적 발전 상황을 요약함으로써 학습자들에게 양자 정보학 발전의 맥락을 상기시킨다. 나아가 양자 정보학의 궁극적 목표인 양자 컴퓨터 상용화를 위한 조건들을 제시하고, 이 기준에 맞추어 현재 세계 각국의 연구소 및 기업들이 개발하고 있는 양자 컴퓨터들이 어느 정도 수준에 도달했는지 정량적으로 파악할 수 있다. 곧 등장할 양자 컴퓨터의 구체적인 하드웨어 형태를 예상하는 것도 가능할 것이다.
1980년 앨빈 토플러는 『제3의 물결』을 펴내면서 인류 문명의 역사를 농업 혁명, 산업 혁명, 정보 혁명이라는 세 가지 물결로 규정하며 21세기가 정보화의 시대가 될 것이라고 예견했다. 실제로 우리는 정보 혁명의 시대 속에서 살고 있다. 양자 정보학이 가져올 ‘양자 정보 혁명’은 우리의 삶은 한 차례 더 비가역적으로 바꿀 것이다. 그러나 이 미래 너머의 미래를 대비해야 할 국내 독자들이 찾아볼 수 있는 책은 거의 전무한 실정이었다. 이 책은 양자 정보 전문가를 꿈꾸는 대학원 수준의 전공자부터 시대를 앞서가고자 하는 고급 과학 독자까지 읽을 수 있도록 핵심 이론에 대한 포괄적 소개와 깊이 있는 설명을 제공하고 있다. 양자 정보 시대를 위해 대한민국 제일의 권위자가 마련한 최초이자 최고의 강의를 만끽해 보기를 권한다.
카이스트 이해웅 교수는 고전 역학과 양자 역학의 세계에서 비선형적인 현상을 탐구하는 물리학자다. 치밀한 논리와 적절한 예제로 우리들에게 늘 ‘명강의 교수님’으로 통했던 그가 자신의 학문적 성취를 집대성한 양자 정보학 책을 펴냈다. 눈에 보이지 않는 양자 세계에선 무슨 일이 벌어지는지, 이 작고 경이로운 세계에서 정보는 어떻게 서로 얽히고 갈라져 전달되는지, 복잡한 수식 너머엔 무엇이 있는지, 이런 질문들에 대한 해답이 이 책에는 담겨 있다. 양자 정보학에 입문하는 미래의 학자들에게 친절한 지침서가 될 것이다.―정재승(카이스트 바이오및뇌공학과 교수)

이 책은 우리말로 쓰인 완벽한 양자 정보 교과서다. 양자 역학은 원자를 설명하는 이론으로 20세기 문명을 19세기와 다르게 만든 장본인이다. 하지만 그것으로 전부가 아니다. 양자 역학은 정보를 보는 새로운 틀을 제공한다. 지금은 인터넷, 스마트폰, 인공 지능으로 대표되는 정보화 시대지만, 정보의 속성만 놓고 본다면 20세기와 21세기는 별로 다르지 않다. 양자 역학은 근본적으로 다른 차원의 정보를 이야기한다. 이름하여 양자 정보다.
이 책은 현재 진행 중인 양자 정보 이론의 기초부터 최전선까지 꼼꼼히 정공법으로 다룬다. 이공계 학부, 대학원생의 교재로 손색이 없다고 생각한다. 이제 우리도 양자 정보를 설명하는 제대로 된 우리말 책을 가지게 된 것 같아 기쁘다. 저자는 나의 박사 학위 지도 교수님이기도하다. 내가 그랬듯이, 독자들도 저자로부터 가장 쉽고 명쾌한 방법으로 양자 정보를 배울 수 있을 것이라 믿는다.
―김상욱(부산 대학교 물리교육과 교수)

머리말 7

1장 양자 정보학을 위한 양자 물리학 15
2장 양자 정보학을 위한 양자 광학 51
3장 양자 얽힘 101
4장 양자 전산 183
5장 양자 암호 293
6장 양자 텔레포테이션 365
7장 양자 정보학의 미래 431

후주 436
참고문헌 448
연습 문제 해답 450
찾아보기 453
영문 찾아보기 458