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

★ 지은이의 말 ★

10년 전에는 대부분의 사람에게 알려지지 않았던 양자 컴퓨팅(Quantum Computing)은 지난 몇 년간 대중의 상상력을 자극했다. 이러한 관심 중 일부는 무어의 법칙으로 알려진 기술 스케일링 둔화에 대한 염려 때문에 생겨난 것일 수도 있다. 무어의 법칙이 반세기 이상 컴퓨팅 성능을 주도해왔고 대체 컴퓨팅 기술에 대한 관심은 늘고 있다. 그러나 관심은 대부분 양자 컴퓨터의 독보적인 연산 능력과 근본적인 하드웨어, 소프트웨어와 알고리즘을 동작시키는 데 필요한 최근 기술 진보에서 기인한다.
양자 컴퓨터가 나오기 전의 모든 사실적인 컴퓨팅 디바이스는 확장된 ‘처치-튜링 명제(Church-Turing Thesis)’를 만족시킨다. 모든 컴퓨팅 디바이스의 성능은 일반적인 ‘보편적(universal)’ 컴퓨터보다 다항식 크기만큼 빠를 수 있다. 상대적 속도 향상은 성능 법칙만큼 올라갈 수 있다. ‘클래식’ 컴퓨팅 디바이스의 설계자가 동작 속도를 높이고(클록 주기를 늘림), 각 클록 주기 동안 완료할 수 있는 작업 수를 늘림으로써 컴퓨팅 성능은 여러 단계 향상됐다.
이러한 변화로 인해 컴퓨팅 성능이 크게 향상됐지만 결과는 보편적인 컴퓨팅 디바이스보다 약간 더 빠른 정도일 뿐이다. 1993년에 나온 번스타인(Bernstein)의 논문은 양자 컴퓨터가 확장된 처치-튜링 명제를 넘어설 수 있다는 것을 보여줬고, 1994년의 피터 쇼어(Peter Shor)는 양자 컴퓨팅의 실용적인 예를 보여줬다. 양자 컴퓨터는 이 문제를 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 해결할 수 있다. 이 결과는 흥미롭지만 그 당시에는 양자 컴퓨터, 양자 비트 또는 ‘큐비트(qubit)’의 가장 기본적인 요소를 만드는 방법조차 알지 못했다. 그렇지만 최근에는 많은 상황이 바뀌었다.
트랩된 이온 원자(트랩된 이온)를 사용하는 기술과 소형 초전도 회로를 사용하는 기술은 연구 그룹이 작은 데모 양자 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있는 정도까지 발전했으며, 일부 그룹은 연구 커뮤니티에 이러한 기술을 이미 제공하고 있다. 이러한 최근의 진보로 인해 전 세계적으로 양자 컴퓨팅에 대한 관심이 폭발적으로 증가했다. 그러나 이 관심과 함께 과대한 선전, 양자 컴퓨팅의 잠재력과 현재 상태 간의 혼란이 동시에 존재하게 됐다. 이제는 양자 컴퓨팅이 컴퓨터 성능의 지속적인 스케일링을 가능하게 만들거나(예를 들어 단기적 영향은 적지만, 장기적 효과는 아직 알려지지 않음) 컴퓨터 산업을 어떻게 변화시킬지에 관한 기사를 자주 접할 수 있게 됐다.
양자 컴퓨팅의 실현 가능성 및 시사점에 대한 기술 평가위원회(Committee on Technical Assessment of the Feasibility and Implications of Quantum Computing)는 이 분야를 탐구해 현재의 첨단 기술, 범용 양자 컴퓨터의 가능성 및 파급 효과에 대한 명확성을 확보하는 데 도움을 주고자 모였다. 이와 같은 작업을 하면서 위원회는 양자 컴퓨팅의 이론적 특성과 한계를 분명히 하고 그 분야에 대한 대중의 일반적인 오해를 바로잡을 수 있는 기회를 가질 수 있다.
위원회는 직접적인 회의를 진행했고 일부 전화 회의와 원격 협업으로 작업을 수행했다. 그리고 위원회는 책임을 다하고자 양자 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어 및 알고리즘의 현재 상태를 이해하고 쇼어의 알고리즘을 적용할 수 있는 스케일링 가능한 게이트 기반 양자 컴퓨터를 만들기 위해 무엇이 필요한지 파악하는 데 집중했다. 이 과정의 초기 단계에서 현재의 공학적 접근법은 스케일링 가능하고 오류가 완전히 수정된 양자 컴퓨터를 만드는 데 필요한 크기로 직접 스케일링할 수 없다는 것을 분명히 확인했다. 결과적으로 이 그룹은 이 목표를 향한 발전 상황을 추적하기 위한 중간 지표를 찾는 데 중점을 뒀다. 이 작업 전반에 걸쳐 위원회는 여러 분야의 관점을 통합하고 단일 구성 요소나 단일 분야의 측면보다는 시스템 관점에서 실용적인 양자 컴퓨터 구축을 생각해보려고 노력했다.
이 작업은 전체적으로 분류되지 않은 상황에서 수행됐다. 결과적으로 양자 컴퓨팅의 발전 방향, 가능성, 영향에 대한 위원회의 평가는 위원회의 전문성과 경험, 공개 회의에서 수집된 데이터, 외부 전문가와 일대일 대화 및 정보만을 통해 이뤄졌으며, 국가에서 수행된 분류 활동에 관한 어떠한 정보도 위원회에 제공되지 않았다. 결과적으로 위원회는 평가가 정확하다고 믿지만, 평가는 필연적으로 불완전한 정보를 바탕으로 이뤄짐을 인정하고 개방된 과학 분야 외부 연구(비공개 또는 분류)가 필요할 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.

 

★ 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.