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, 양자컴퓨터 붐이 불면서 확산되고 있는 양자컴퓨터에 관한 오해를 설명한다. ‘양자컴퓨터는 모든 문제를 다 처리할 수 있다’‘양자컴퓨터는 병렬계산을 해서 빠르다’‘양자컴퓨터는 곧 실용화된다’라는 일반적인 오해 세 가지를 들면서 진실을 밝힌 다음, 양자컴퓨터가 어떻게 시작되었으며 그 원리가 무엇인지 설명한다.
2장 양자역학의 가장 아름다운 실험과 양자컴퓨터의 탄생에서는 양자컴퓨터의 기본이 되는 양자역학이 무엇인지 설명한다. 양자역학은 이해하기 쉽지 않은 전문적인 분야이지만, 양자컴퓨터의 원리를 드러내는 가장 기본적인 내용은 ‘2중 슬릿 실험’을 통해 누구나 이해할 수 있다. 우리에게 익숙한 거시세계와 달리 원자, 전자, 광자 등의 미시세계는 이해하기 어려운 물리법칙을 따르는데, 물질이 입자성과 파동성을 동시에 가진다는 점이다. 특히 양자컴퓨터에서는 이 파동성이 핵심이다. 2중 슬릿 실험은 미시세계의 오묘한 물리법칙을 생생하게 보여주는 실험으로서, 저자는 이 실험을 통해 양자컴퓨터의 계산 원리를 보여준다.
3장 양자컴퓨터는 어떤 원리로 계산하는 걸까?에서는 지금 널리 사용되고 있는 현대 컴퓨터와 양자컴퓨터의 차이를 통해 양자컴퓨터의 원리를 설명한다. 현대 컴퓨터가 정보를 처리하는 원리와 비교하면서 양자컴퓨터의 작동 원리를 설명하고, 현대 컴퓨터의 비트와 논리연산이 양자컴퓨터의 양자 비트와 양자 논리연산과 어떤 차이를 갖고 있는지 비교 설명하면서, 그 한계 역시 명확히 보여준다.
4장 양자컴퓨터의 계산이 빠른 진짜 이유에서는 3장에서 살펴본 양자컴퓨터의 한계에도 불구하고 왜 양자컴퓨터가 빠르다고 하는지 살펴본다. 양자컴퓨터가 유난히 빠르게 계산하는 문제가 있으며, 그런 문제의 계산 순서를 살펴보면서 왜 빨리 계산할 수 있는 건지 알아본다. 5장 양자컴퓨터, 어떻게 만들까?에서는 양자컴퓨터의 현시점 개발 상황과 개발 방식들을 소개한다. 양자컴퓨터의 주요한 개발 방식으로는 초전도 회로 방식, 이온 방식, 반도체 방식, 광 방식이 있는데, 각 개발 방식의 원리와 장단점을 설명하고, 양자컴퓨터의 미래가 어떻게 될지 가늠해본다.
6장 지극히 현실적인 광 양자컴퓨터 개발 현장의 최전선에서는 저자 자신의 양자컴퓨터 개발 현장을 소개한다. 저자가 연구하는 광 방식 양자컴퓨터의 원리와 장단점을 좀더 자세히 설명하고, 실제 연구 개발 현장을 생생하게 보여준다. 그리고 앞으로 양자컴퓨터 개발이 어떻게 될지 조심스레 전망한다.
미래의 컴퓨터라 불리는 ‘진짜’ 양자컴퓨터가 실현되려면 아직은 요원할지 모르지만, 독자들은 이 책을 통해 양자컴퓨터가 어떤 것인지 정확히 이해하고 우리의 삶에 어떻게 도움이 될지 미리 들여다봄으로써 양자컴퓨터가 밝힐 미래를 현실적으로 기대해볼 수 있을 것이다.

IT 기술 강국에서 양자정보 기술 강국으로
우리나라는 IT기술에 있어서는 강국이고 세계에서 가장 빠르고 강력한 인터넷망을 갖추고 있지만, 양자정보기술 쪽으로는 미국, 유럽, 중국, 일본 등에 비해 많이 뒤처져 있다. 그동안 우리나라가 나노테크놀로지와 디지털기술에만 매진한 탓이 클 것이다. 또한 기초과학보다는 응용과학에만 힘을 실어줌으로써 당장 결과가 손에 잡히지 않는 연구 개발 면에서는 그다지 발전이 이뤄지지 않기도 하였다.
《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》는 우리나라 청년들의 도전정신을 일깨워 새로운 지식과 기술에 도전하는 계기를 만들 수 있을 것이다. 일반인들도 양자컴퓨터에 관심을 갖고 미래에 이 기술이 어떻게 구현될지 기대하면서 그 발전상을 지켜보면, 우리나라 과학 발전에 큰 도움이 될 것이다. 《처음 읽는 양자컴퓨터 이야기》는 전문적인 내용을 다루고 있지는 않지만, 양자컴퓨터에 얽힌 오해를 풀고 그 원리와 가능성을 이해해 양자컴퓨터에 대해 올바른 기대감을 갖게 하는 데 큰 도움을 줄 것이다.

 

 

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 \u003d 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