양자 정보학 강의
이해웅
지은이:이해웅
서울대학교물리학과에서학부를마치고미국피츠버그대학교에서양자광학을주제로박사학위를받았다.미국로체스터대학교,애리조나대학교,뉴멕시코대학교에서박사후연구원을지냈으며오클랜드대학교물리학과부교수와카이스트물리학과교수,물리학과장,교무처장을거쳐현재카이스트명예교수및유니스트(UNIST)석좌교수로재직중이다.1996년부터1998년까지한국물리학회원자및분자물리학분과위원장직을지내기도했다.양자얽힘과양자정보를주제로양자정보학,양자광학,원자물리학분야에서100여편의논문을발표했다.국내에서양자정보학연구를최초로시작했으며여러편의우수한논문을발표하면서한국양자정보학의국제적인지도상승에기여했다.양자정보학연구를주도하고그발전에기여한공로를인정받아2006년에는3·1문화상학술상(자연과학부문)을,2008년에는카이스트우수강의상을받았다.저서로는『빛의양자이론』,『구글신은모든것을알고있다』(공저)가있고번역서로『양자우연성』(공저)이있다.
머리말7
1장양자정보학을위한양자물리학15
2장양자정보학을위한양자광학51
3장양자얽힘101
4장양자전산183
5장양자암호293
6장양자텔레포테이션365
7장양자정보학의미래431
후주436
참고문헌448
연습문제해답450
찾아보기453
영문찾아보기458
미래의학자들을위한친절한양자정보학지침서
―정재승(카이스트교수)
★KAIST를사로잡은강의들을응축한카이스트명강PLUS의첫책!
이책은현재진행중인양자정보이론의기초부터최전선까지꼼꼼히정공법으로다룬다.이공계학부,대학원생의교재로손색이없다고생각한다.이제우리도양자정보를설명하는제대로된우리말책을가지게된것같아기쁘다.―김상욱(부산대학교교수)
양자정보시대를위해대한민국제일의권위자가마련한최초이자최고의강의
바야흐로‘양자정보혁명’의시대가오려하고있다.정보혁명시대를열었던IBM,마이크로소프트등초거대IT기업들이양자정보학,양자컴퓨팅연구에총력을기울이고있기때문이다.양자정보학,양자컴퓨터는이제더이상과학자들의공상속에만존재하는꿈의기술이아니다.특히IBM이개발한양자컴퓨터‘Q시스템’은삼성전자,JP모건체이스,다임러등세계적인기업들이적극도입을결정하면서상용화준비를끝마쳤다.중국정부도올9월양자컴퓨터,양자암호등양자정보학을연구하는국립양자정보과학연구소를건설하기위해760억위안(약13조원)의자금을투입하겠다는결정을내려전세계연구자들의이목을모았다.중국정부의목표대로2020년기존컴퓨터보다100만배빠른양자컴퓨터가개발된다면그경제적,정치적,그리고군사적파장은엄청날것이다.
반도체,금융,자동차등21세기핵심산업들에부는양자정보혁명의바람앞에모든것이변할것이다.양자컴퓨터가개발된다면현재의암호시스템에기반한가상화폐시스템은송두리째붕괴할것이다.양자컴퓨터의공격으로부터살아남을수있는‘양자저항’이필요한것이다.또마이크로소프트등이개발중인양자컴퓨터언어는현존하는모든컴퓨터언어를대체할것이다.올해발표된MIT‘10대혁신기술’,세계경제포럼‘10대이머징테크놀로지스(EmergingTechnologies)’,그리고KT경제경영연구소‘한국을이끄는10가지ICT트렌드’등에빠짐없이양자정보기술이포함된것은이런시대상황을잘반영하고있다.
수년전부터이를예견했던고급과학독자들및전공자들은양자역학이지배하는차세대정보이론,양자정보학의이론서,교양서를갈구해왔다.하지만마땅한국내서가없어아쉬운실정이었다.2013년에(주)사이언스북스에서는양자정보학국내1인자인이해웅유니스트(울산과학기술원)교수(당시카이스트물리학과명예교수)를비롯해정하웅카이스트물리학과교수,김동섭카이스트바이오및뇌공학과교수의공저로양자정보학,네트워크정보학,그리고생명정보학의최전선을소개하는「카이스트명강」1권『구글신은모든것을알고있다』를펴내양자정보학에대한과학독자들의갈증을달랬다.
그러나점점거세지는양자정보혁명의바람앞에전문양자정보학지식을습득하고자하는수요는점점늘고있다.이니즈를충족시키기위해이해웅교수가다시한번나섰다.(주)사이언스북스가한국과학기술원(카이스트)의출판부인카이스트프레스와함께기획해새로마련한「카이스트명강PLUS」시리즈첫번째책,이해웅의『양자정보학강의』는양자컴퓨터,양자통신,양자암호등최신이론과연구성과를모두담은,국내유일의양자정보학교과서이다.『구글신은모든것을알고있다』에서다룬양자정보학의내용을심화시켜,양자정보학의진수를제대로맛보고자하는일반독자에서부터양자정보학과양자컴퓨터를전공으로삼고자하는대학원생,및산업계의전문개발자들을위해양자정보학과양자컴퓨터연구를위한양자역학과광학등의기초원리에서부터양자암호학과양자연산같은심화응용까지필수적인과정을모두담았다.실제연구개발현장에서쓰일수학계산,용어,개념들을가감없이소개할뿐만아니라100여개에달하는친절한그림설명을곁들여독자들이양자정보학의수학적논리과정을무리없이따라올수있도록돕는다.
이책은우리나라최초로양자정보학의연구를시작하고,수많은논문을발표해온권위자가자신의공부를국내후학들에게소개하기위해10여년에걸쳐다듬고집필해온역작이다.양자컴퓨터와양자정보학의기초개념이되는‘양자얽힘’현상연구자들이노벨상을받았던2012년이전부터준비해온이책은오랜기간동안학습자중심의치밀한구성과완성도높은내용을담아내고자했던노력의결과물이다.양자정보학의기초단계인양자역학과양자광학을먼저다룬다.그리고핵심이슈인양자컴퓨터,양자통신,양자암호등과관련한이론및수학적기술방법들을빠짐없이소개한다.학습을돕기위해저자가직접만든챕터별연습문제와해답또한준비되어있다.정재승카이스트교수와,카이스트에서저자에게박사과정지도를받아현재양자역학연구자및과학커뮤니케이터로활동하고있는김상욱부산대학교교수가입을모아극찬한이유는바로이때문이다.
저자이해웅유니스트교수는서울대학교를졸업하고미국피츠버그대학교에서양자광학을주제로박사학위를받았다.오클랜드대학교물리학과부교수,카이스트물리학과교수,물리학과장,교무처장을거쳐현재카이스트물리학과명예교수및유니스트석좌교수로재직중이다.양자정보학등의분야에서100여편의논문을발표했다.국내최초로양자정보학연구를시작해현재까지선구자역할을하고있다.양자정보학연구에관한공로로2006년에는3·1문화상학술상(자연과학부문)을,2008년에는카이스트우수강의상을받았다.김상욱부산대학교교수등저명한과학자들을지도했던원로물리학자인그는첨단과학대중화를위해강연과집필활동역시활발히하고있다.
「카이스트명강PLUS」시리즈는KAISTPRESS와(주)사이언스북스가공동기획하는새로운과학기술총서이다.대한민국일급연구자들이과학영재들과나누는첨단과학기술의연구와강의현장을시민사회와공유하기위해만들어진시리즈로과학기술석학의예지(叡智)가담겼다.해당분야전문가들은물론이고,미래를준비하는입문자들이첨단과학기술의기초원리와다양한응용가능성을확인하고실력을다질수있는기회를제공할것이다.
이해웅교수가미래양자정보사회를선도할카이스트학생들에게가르쳤던내용을담은『양자정보학강의』가「카이스트명강PLUS」의첫책으로가장적합하다고할수있다.차세대정보전문가가되고싶은이들,기존양자역학및정보이론교양서너머의지식을얻고싶은이들을포함해양자컴퓨터,양자정보학입문자들을위한단하나의지침서가바로여기에있다.
양자컴퓨터,양자암호,양자통신등차세대정보이론과실험의모든것
이책은양자정보학의모든핵심이론에대한포괄적인소개와양자정보처리의원리와방법에대한깊이있는설명및분석을제공하는것을목표로한다.특히양자정보학의주연구과제인양자전산,양자암호,양자통신의원리와방법을상세히논의한다.―본문에서
이책은크게세가지부분으로구성되어있다.30여년간급격하게발전해왔던양자정보학의과거,현재를보여주고입문자를위한양자정보학을위한기초과정을마련한첫번째부분,현재양자정보학이가장활발히응용되고있는분야들,즉양자컴퓨팅,양자암호,양자통신등을수학적논리와친절한그림설명으로가르치는두번째부분,양자정보학의미래를전망하는세번째부분이바로그것이다.
1장「양자정보학을위한양자물리학」은양자정보학을이해하기위해가장처음으로거쳐야할준비과정이다.선형중첩과파동함수등기초양자역학지식부터본격적으로양자정보학에응용될개념인슈미트분해,POVM,결잃음등을소개한다.
현재까지양자정보학의실험들이대부분광학적실험들로수행되었기때문에2장「양자정보학을위한양자광학」역시필수적인기초과정이다.간섭성,압축등양자광학의핵심개념들은물론광분할기,호모다인측정등실험에필요한지식까지제공한다.
3장「양자얽힘」은양자정보학의본격적인출발점이라고할수있다.기존의고전정보학과차세대양자정보학을확연히구분해주는자연의성질,얽힘에대해다룬다.알베르트아인슈타인,에르빈슈뢰딩거등을중심으로철학적논쟁의대상으로탄생했던얽힘개념은안톤차일링거의실험에의해실제로규명되었다.양자얽힘의정의와EPR논쟁,그리고차일링거가실험에사용했던벨부등관계등을설명하면서본격적인양자정보학의세계로진입한다.
4,5,6장은양자정보학의세중요과제를다루면서이책의핵심을이룬다.4장「양자전산」은전자회로를통해실현할수있는고전전산의방법들을간단히되짚고,양자전산방법들을연결해소개한다.양자회로를구성하고필요한전산을수행하는방법을배울수있다.도이치알고리듬,그로버알고리듬,쇼어알고리듬등현재가장중요한양자전산방법은물론단방향양자전산,클러스터상태양자전산등지금보다한걸음더나아간이론까지소개하면서미래너머의미래양자정보학을선사한다.
5장「양자암호」는양자정보학응용분야중에서가장대중적이고투자가활발한양자보안및해킹에대한기초이론으로구성된다.고전암호의‘계산적안전성’과근본적으로다른,양자암호의‘절대적안전성’을어떻게구현할수있을지자세히설명하고있다.BB84,B92,E91등구체적인양자암호전달방식들,그리고그도청방식들을모두배울수있는챕터이다.실험적으로많은진전을보인분야인만큼양자암호전달을실제로구현한실험방법들역시곁들여설명한다.
6장「양자통신」은양자얽힘을이용한새로운패러다임의통신기술을소개한다.이른바양자텔레포테이션은송신자와수신자가양자얽힘을공유하고‘벨상태측정’이란특정한형태의측정을통해구현할수있다.이에필요한개념들인벨상태,양자텔레포테이션등을주로다룬다.
미래너머의미래를만들양자정보학강의
한국에서양자정보학을전공하는대학원생과양자정보학에입문하는연구자들을대상으로이들이빠르게발전해가고있는양자정보학의중심에들어가첨단의연구를좀더수월히수행하는데도움을주고자이책을쓰게되었다.또한이책으로인해양자정보학이한국에더널리알려지는계기가되기를바라는마음이다.―본문에서
양자정보학은최근30여년동안눈부신발전을이룩했다.현재진행중인동시에미래지향적인학문이다.이러한학문적특성때문에이책은7장「양자정보학의미래」를특별히마련해놓았다.이챕터에서는양자암호,양자텔레포테이션,양자전산의각분야에서현재까지의실험적발전상황을요약함으로써학습자들에게양자정보학발전의맥락을상기시킨다.나아가양자정보학의궁극적목표인양자컴퓨터상용화를위한조건들을제시하고,이기준에맞추어현재세계각국의연구소및기업들이개발하고있는양자컴퓨터들이어느정도수준에도달했는지정량적으로파악할수있다.곧등장할양자컴퓨터의구체적인하드웨어형태를예상하는것도가능할것이다.
1980년앨빈토플러는『제3의물결』을펴내면서인류문명의역사를농업혁명,산업혁명,정보혁명이라는세가지물결로규정하며21세기가정보화의시대가될것이라고예견했다.실제로우리는정보혁명의시대속에서살고있다.양자정보학이가져올‘양자정보혁명’은우리의삶은한차례더비가역적으로바꿀것이다.그러나이미래너머의미래를대비해야할국내독자들이찾아볼수있는책은거의전무한실정이었다.이책은양자정보전문가를꿈꾸는대학원수준의전공자부터시대를앞서가고자하는고급과학독자까지읽을수있도록핵심이론에대한포괄적소개와깊이있는설명을제공하고있다.양자정보시대를위해대한민국제일의권위자가마련한최초이자최고의강의를만끽해보기를권한다.