■ 책 소개

양자컴퓨터가 초고속 계산을 구현하는 원리를 이해한다.

고전 컴퓨터와 비교하며 양자비트, 양자 게이트, 양자 알고리즘 등을 설명한다.

요즘 들어 ‘양자컴퓨터’라는 말이 뉴스에 등장하기 시작하면서, 전문가가 아니더라도 ‘양자컴퓨터’라는 키워드를 접할 기회가 많아졌다. 실제로 양자컴퓨터는 차세대 기술의 하나로서 기대되는 분야이다. 하지만 초보자를 위해서 양자컴퓨터의 전모를 설명한 서적은 아직 상당히 적은 것이 현실이다.

양자컴퓨터는 머신러닝이나 IoT, VR/AR 등의 차세대 기술과는 달리, 양자 물리학이나 정보 이론, 컴퓨터 사이언스의 기초 연구적인 측면이 강하다. 양자컴퓨터를 인터넷으로 검색해보면 여기저기 정보가 흩어져 있을 뿐, 정리된 정보는 많지 않다. 또한, 양자컴퓨터 관련 보도나 설명 기사도 저마다 양자컴퓨터에 대한 개념에 차이가 있어, 현재 어떤 상황에 와 있는지 좀처럼 눈에 보이지 않는다. 양자컴퓨터가 어느 정도로 실용화될 것인지, 어떤 원리로 동작하는지, 어떤 방식이 있고 무엇이 다른지 등을 파악하기가 힘들다. 그래서 실제로 만들거나 사용해 보면서 이해하기가 상당히 어렵다. 또한, 일반인을 대상으로 하는 입문서는 비유를 통해 양자의 성질을 설명하는 경우가 많다. 하지만 그다음 단계로 연결되는 좀 더 상세한 설명이 거의 없어서 결국은 전문서나 논문을 읽을 수밖에 없다.

이 책은 물리학 전문가가 아닌 분들이 양자컴퓨터를 접하는 첫 단계에서 양자컴퓨터에 대한 전반적인 지식을 망라할 수 있도록 구성했다. 비전문가도 이해하기 쉽게 전문 용어나 전문 지식이 전혀 필요 없어도 읽을 수 있는 책을 목표로 했다. 그림 설명을 곁들여 이해하기 쉽도록 구성하였고, 작동 구조를 연상시키는 데 도움이 될 것이다. 또한, 양자컴퓨터 관련 뉴스를 읽고 이해되지 않을 때 참고할 수 있도록 했다. 그래서 양자컴퓨터와 직접 관계는 없지만, 연관된 키워드도 같이 실었다. 부록으로 <그림과 수식으로 이해하는 양자컴퓨터의 구조>를 PDF 파일로 제공한다.

이 책은 일반 엔지니어들이 전문서적, 논문을 읽기 전의 가이드 맵 역할을 해줄 것이다.

1.1 양자컴퓨터가 뭐지?

1.1.1 계산이란 무엇인가?

1.1.2 컴퓨터의 한계

1.1.3 양자컴퓨터란 무엇인가?

1.1.4 양자컴퓨터와 고전컴퓨터

1.1.5 양자컴퓨터의 종류

1.1.6 양자 계산 모델의 종류

1.2 양자컴퓨터의 기본

1.2.1 양자컴퓨터 동작의 흐름

1.2.2 양자컴퓨터 개발 로드맵

1.2.3 노이만형에서 비노이만형 컴퓨터로

1.2.4 비고전컴퓨터

1.2.5 비만능 양자컴퓨터

1.2.6 NISQ(니스크)

1.2.7 만능 양자컴퓨터

1.3 양자컴퓨터의 미래상

1.3.1 양자컴퓨터의 현재

1.3.2 양자컴퓨터 사용 방식

1.3.3 미래의 계산기 환경

제2장 양자컴퓨터에 거는 기대

2.1 고전컴퓨터가 어려워하는 문자란?

2.1.1 다항식 시간에서 풀 수 있는 문제

2.1.2 다항식 시간에서 해법이 알려지지 않은 문제

2.2 양자컴퓨터가 활약하는 문제란?

2.2.1 양자컴퓨터가 활약하는 문제

2.2.2 가까운 미래에 기대되는 효과

2.3 양자컴퓨터가 주목을 받게 된 배경

제3장 양자비트

3.1 고전비트와 양자비트

3.1.1 고전컴퓨터의 정보 최소단위 ‘고전비트’

3.1.2 양자컴퓨터의 정보 최소단위 ‘양자비트’

3.1.3 중첩 상태 표시법

3.1.4 양자비트의 측정

3.1.5 화살표의 사영과 측정 확률

3.2 양자역학과 양자비트

3.2.1 고전물리학과 양자물리학

3.2.2 고전계산과 양자 계산

3.2.3 양자역학의 시작 : 전자와 빛

3.2.4 파동성과 입자성

3.2.5 양자비트의 파동과 입자의 성질

3.2.6 양자비트의 측정 확률

3.3 양자비트 표기법

3.3.1 양자 상태를 나타내는 기호(브라켓 기호)

3.3.2 양자 상태를 나타내는 그림(블로흐 구)

3.3.3 양자비트를 파동으로 나타낸다

3.3.4 복수양자비트 표현법

3.3.5 정리

제4장 양자 게이트 입문

4.1 양자 게이트란?

4.1.1 고전 컴퓨터 : 논리 게이트

4.1.2 양자컴퓨터 : 양자 게이트

4.1.3 단일 양자비트 게이트

4.1.4 다중 양자비트 게이트

4.2 양자 게이트의 작용

4.2.1 X 게이트(비트 플립 게이트)

4.2.2 Z 게이트(위상 플립 게이트)

4.2.3 H 게이트(아다마르 게이트)

4.2.4 2 양자비트에 작용하는 CNOT 게이트

4.2.5 H 게이트와 CNOT 게이트를 이용한 양자얽힘 상태 생성

4.2.6 측정(계산기저에 의한 측정)

4.2.7 양자얽힘 상태의 성질

4.3 양자 게이트의 조합

4.3.1 SWAP 회로

4.3.2 덧셈 회로

4.3.3 덧셈 회로에 의한 병렬 계산

4.3.4 가역 계산

제5장 양자 회로 입문

5.1 양자 텔레포테이션

5.1.1 상황 설정

5.1.2 양자 얽힘 상태의 2 양자비트

5.1.3 양자 텔레포테이션

5.1.4 양자 회로에 의한 표현

5.1.5 양자 텔레포테이션의 특징

5.2 고속 계산의 원리

5.2.1 파동의 간섭

5.2.2 동시에 모든 상태를 가진다 : 중첩 상태

5.2.3 확률진폭의 증폭과 결과 측정

5.2.4 양자컴퓨터에 의한 고속 계산의 예 : 숨은 주기성의 발견

5.2.5 양자 얽힘 상태

5.2.6 정리

제6장 양자 알고리즘 입문

6.1 양자 알고리즘의 현재

6.2 그로버 알고리즘

6.2.1 개요

6.2.2 양자 회로

6.3 쇼어 알고리즘

6.3.1 개요

6.3.2 계산 방법

6.4 양자고전 하이브리드 알고리즘

6.4.1 양자화학계산

6.4.2 VQE(Variational Quantum Eigensolver)

6.5 양자컴퓨터를 둘러싼 시스템

제7장 양자 어닐링

7.1 이징 모델

7.1.1 스핀과 양자비트

7.1.2 이징 모델의 상호작용

7.1.3 불안정한 상태, 프러스트레이션

7.1.4 이징 모델의 에너지

7.1.5 이징 모델의 기저상태를 발견하는 문제

7.2 조합최적화 문제와 양자 어닐링

7.2.1 조합최적화 문제란?

7.2.2 조합최적화로서의 이징 모델

7.2.3 조합최적화 문제의 프레임

7.2.4 조합최적화 문제의 해법

7.3 시뮬레이티드 어닐링

7.3.1 이징 모델의 기저상태 탐색

7.3.2 에너지 랜드스케이프

7.3.3 경사 하강법과 로컬 미니멈

7.3.4 시뮬레이티드 어닐링

7.4 양자 어닐링

7.4.1 양자 어닐링의 자리매김

7.4.2 양자 어닐링 계산 방법 1 : 초기화

7.4.3 양자 어닐링 계산 방법 2 : 어닐링 연산

7.4.4 에너지의 벽을 빠져나간다

7.4.5 양자 어닐링이 1억 배나 빠를까?

7.4.6 양자 어닐링의 실제

제8장 양자비트 만드는 법

8.1 양자컴퓨터의 성능 지표

8.2 양자비트의 구현 방식

8.3 초전도 회로

8.3.1 초전도 회로에 의한 양자비트 구현

8.3.2 조셉슨 접합

8.3.3 트랜스몬과 자속 양자비트

8.3.4 NISQ에 의한 양자 우위 실증

8.4 이온 트랩 / 냉각 원자

8.4.1 이온 트랩에 의한 양자비트

8.4.2 냉각 중성원자에 의한 양자비트

8.5 반도체 양자점

8.6 다이아몬드 NV 센터

8.7 빛을 이용한 양자비트

8.7.1 광자를 이용한 양자 계산

8.7.2 연속량을 이용한 양자 계산

8.8 토폴로지컬 초전도체

Column

양자컴퓨터 탄생에 이르는 여정

계산량 이론

양자 에러 정정

양자 계산의 만능성이란

양자역학에서의 측정의 불가사의

양자 회로 모델 이외의 양자 계산 모델

양자 어닐러 이외의 어닐러

순수상태와 혼합상태

양자컴퓨터의 계산 방법 정리