양자컴퓨터 레시피 : 큐비트에서 미래컴퓨팅까지, 한 권으로 이해하는 양자 기술
김용수,최태영,김요셉
저자:김용수
빛을이용해양자세상을들여다보는실험연구자.연세대학교물리학과를졸업하고포항공과대학교에서양자광학을공부하며빛의양자적성질에매료되었다.‘광자가품고있는양자정보를측정하는과정에서벌어지는되먹임효과에관한연구’로물리학박사학위를받았다.미국국립표준기술연구원(NIST)에서박사후연구원으로‘얽힌광자쌍을이용한양자정보처리기술을연구’한뒤,2013년부터한국과학기술연구원(KIST)에서광자양자컴퓨터와양자통신연구를이어가고있다.2025년부터KIST양자기술연구단장을맡고있으며,같은해국내양자기술발전공로를인정받아과학기술정보통신부장관표창을받았다.한국양자정보학회학술이사와국제학회프로그램위원장을역임하며국내외양자연구커뮤니티의교류와성장에힘써왔고,한국연구재단국가전략연구본부양자컴퓨터분야전문위원으로우리나라양자컴퓨터연구의방향을함께그려가고있다.유튜브채널「보다(BODA)」,「에스오디(SOD)」등에출연하며양자기술을대중에게알리는데힘쓰고있다.
저자:최태영
우주를구성하는가장작은세계인원자를직접들여다보고,그안에서펼쳐지는양자현상에매료되어연구해온실험물리학자.서울대학교물리학과를졸업하고,미국오하이오주립대학교에서「단일원자·분자의스핀을활용한원자단위메모리개발연구」로물리학박사학위를받았다.이후미국메릴랜드대학교에서박사후연구원으로재직하며‘단일이온들을포획해고신뢰도양자얽힘을구현하는양자컴퓨팅연구’를수행했고,미국IBMAlmaden연구소에서는스핀큐비트의양자제어기술을연구했다.2017년부터이화여자대학교물리학과교수로재직중이며,2022년부터이화여자대학교양자컴퓨터연구센터소장을맡고있다.한국양자정보학회총무이사와부회장을역임했으며,국내외학회에서50회이상의초청강연을진행하는등양자연구커뮤니티의활성화와국제교류,연구생태계의성장에힘써왔다.또한다양한강연과대중소통활동을통해양자기술을더욱쉽고정확하게전달하고자노력하고있다.양자컴퓨터가미래기술을넘어우리사회의새로운가능성으로다가올수있도록,양자기술을많은사람에게쉽고정확하게전달하고자하는마음으로[양자컴퓨터레시피]를썼다.
저자:김요셉
양자컴퓨터연구를통해경이로운양자현상을조금씩이해해가고있는실험물리학자.울산과학기술원(UNIST)에서소자물리를공부하며컴퓨팅과양자현상에관심을갖기시작했고,포항공과대학교에서「광자기반양자컴퓨팅과양자측정연구」로물리학박사학위를받았다.빛을이용해양자얽힘을만들고읽어내는연구를하다가,양자시스템을직접설계하고제어할수있다는점에매료되어초전도양자컴퓨터연구로관심을넓혔다.이후미국로렌스버클리국립연구소(LBNL)에서박사후연구원으로재직하며고성능초전도양자게이트를개발했고,한국과학기술연구원(KIST)에서선임연구원으로근무하며관련연구를이어갔다.2023년부터고려대학교물리학과교수로재직중이며,초전도양자컴퓨터를유용한장치로발전시키고잘활용하기위한연구를하고있다.강연과글쓰기를통해양자기술을대중에게쉽게알리는일에도힘쓰고있다.
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프롤로그:양자컴퓨터의시대가온다
Chapter1.요리의시작은재료의이해부터
Recipe01양자컴퓨터의기본개념익히기
Recipe02두상태의가능성을담은큐비트
Recipe03양자측정이라는독특한현상
Recipe04재료들의특별한만남:양자얽힘
전문가의레시피1~5
Chapter2.양자재료를요리해보자
Recipe01양자게이트의기본조리법
Recipe02재료를섞는다중규비트게이트
Recipe03양자회로:양자조리법표시하기
Recipe04양자알고리즘의대표레시피
Recipe05입문용대표요리:도이치-조사알고리즘
Recipe06검색레시피:그로버알고리즘
Recipe07암호해독레시피:쇼어알고리즘
Recipe08양자컴퓨터성능제대로이해하기
전문가의레시피6~9
Chapter3.실전조리법:다양한양자컴퓨터의구현방식
Recipe01초전도양자컴퓨터에필요한극한주방
Recipe02자연재료로만드는이온트랩양자컴퓨터
Recipe03대규모레시피:중성원자양자컴퓨터
Recipe04빛으로만드는양자요리:광자양자컴퓨터
전문가의레시피10~14
Chapter4.현재의주방,미래의주방
Recipe01하이브리드요리법의탄생:NISQ시대의양자컴퓨터
Recipe02작은주방들의네트워크:모듈형양자컴퓨터
Recipe03양자컴퓨터의품질관리
전문가의레시피15~17
에필로그:양자주방은아직영업중
“AI가현재의세상을바꾸고있다면,
양자컴퓨터는미래를바꿀기술이다.”
양자의재료로미래를요리하다!
복잡한공식대신레시피로배우는가장쉬운양자이야기
생성형AI가우리일상을바꾸고있는지금,세계는이미그다음기술혁명을준비하고있다.구글,IBM,마이크로소프트,아마존등글로벌빅테크기업은물론각국정부가막대한투자를쏟아붓고있는분야가바로양자컴퓨터다.양자컴퓨터는단순히더빠른컴퓨터가아니다.기존컴퓨터로는사실상해결하기어려운문제에도전하는새로운계산패러다임이자,미래산업의판도를바꿀핵심기술로주목받고있다.
신약개발과신소재설계,기후변화예측,금융모델링,인공지능최적화,물류와교통문제해결까지,인류가직면한복잡한문제가운데상당수는현재의컴퓨터만으로는계산량의한계에부딪힌다.양자컴퓨터는양자중첩과양자얽힘이라는독특한원리를바탕으로이러한문제를새로운방식으로해결할가능성을보여주고있다.그래서많은전문가는“AI가현재를변화시키고있다면,양자컴퓨터는미래를바꿀기술”이라고말한다.
하지만큐비트,양자중첩,양자얽힘,양자게이트,양자알고리즘,오류정정같은낯선용어는일반독자들에게높은장벽으로다가온다.언론에서는연일‘수천큐비트돌파’,‘양자우위달성’,‘양자혁명’같은소식이쏟아지지만,그의미를정확히이해하기란쉽지않다.양자컴퓨터에대한관심은높아졌지만,정작쉽게이해할수있는책은많지않다.
양자컴퓨터분야를대표하는현역전문가인김용수KIST양자기술연구단장,최태영이화여대물리학과교수,김요셉고려대물리학과교수는양자기술의장벽을낮추고,이를더쉽고친숙한언어로대중에게소개하고자뜻을모아한권의책으로엮었다.『양자컴퓨터레시피』는양자컴퓨터를하나의요리과정에비유해,어렵고복잡하게만느껴졌던과학기술을누구나쉽게이해할수있는친숙한이야기로풀어낸다.이책을통해독자는양자컴퓨터가왜등장했는지,어떤원리로작동하는지,현재어디까지발전했으며앞으로어떤미래가펼쳐질지를자연스럽게이해하게된다.
양자컴퓨터는아직완성된기술이아니다.그러나인터넷과스마트폰,그리고AI가그러했듯미래사회를이해하기위해반드시알아야할기술이다.『양자컴퓨터레시피』는단순한원리설명에머물지않고미래기술을바라보는새로운시각과통찰을제공하는,AI시대를살아가는독자를위한가장친절한안내서다.
구글,IBM,그리고스타트업들은어떤주방에서경쟁하고있을까?
AI다음시대를여는기술,
양자컴퓨터의현재와미래를한눈에읽다
『양자컴퓨터레시피』는양자중첩과양자얽힘같은기본개념에서출발해양자게이트와양자알고리즘,실제구현기술,양자오류정정,그리고미래전망까지하나의흐름으로연결해설명한다.독자는단편적인지식이아니라양자컴퓨터라는거대한기술지형도를머릿속에그릴수있다.처음접하는독자도자연스럽게이해할수있도록구성했으며,이미관련뉴스를접해본독자라면그의미를더욱깊이파악할수있도록돕는다.
이책은세계양자컴퓨터경쟁의핵심무대인네가지플랫폼을집중적으로소개한다.구글과IBM이주도하는초전도양자컴퓨터,IonQ를대표로하는이온트랩양자컴퓨터,하버드와QuEra가이끄는중성원자양자컴퓨터,그리고Xanadu와PsiQuantum이개척하고있는광자양자컴퓨터까지각기술의원리와장점,한계와미래가능성을알기쉽게비교한다.독자는자연스럽게“어떤기술이가장앞서있을까?”,“과연최종승자는누가될까?”라는질문을던지게된다.그리고그답이단순하지않으며,여러플랫폼이각자의강점을살려공존할가능성이있다는점까지이해하게된다.
이책은플랫폼경쟁에만머무르지않는다.현재의불완전한양자컴퓨터를활용하기위한변분양자알고리즘(VQE,QAOA),여러개의양자프로세서를연결하는모듈형양자컴퓨터,양자네트워크와양자인터커넥트,그리고실용적양자컴퓨터의핵심열쇠인양자오류정정기술까지양자컴퓨터의현재와미래를입체적으로조망한다.특히최근발표된구글,IBM,하버드,MIT,IonQ,QuEra,Xanadu,PsiQuantum등의연구성과를바탕으로기술이실제어디까지발전했는지를균형있게설명한다.그덕분에독자들은과장된홍보와실제기술적진전을구분하는안목을기르고,양자컴퓨터의큰그림을한눈에이해할수있다.
복잡한양자컴퓨터를가장쉽게설명하는
단하나의레시피
양자컴퓨터를다룬많은책은어려운수식과복잡한물리학개념때문에일반독자들에게높은진입장벽으로다가온다.『양자컴퓨터레시피』는이를극복하기위해책전체를하나의‘요리레시피’라는콘셉트로구성했다.큐비트라는재료를준비하고,양자게이트로조리하면양자컴퓨터라는한접시가완성된다.초전도양자컴퓨터와이온트랩양자컴퓨터는서로다른주방으로,양자오류정정은완벽한요리를위한품질관리로비유된다.
친숙한비유와흥미로운설명,이해를돕는풍부한일러스트덕분에중학생은물론일반성인독자도부담없이읽을수있다.본문곳곳에배치된‘양자컴퓨터노트’와‘양자컴퓨터전문레시피’는독자의수준에따라한단계더깊이있는이해를돕는다.
무엇보다이책의가장큰강점은쉽지만결코가볍지않다는점이다.실제로양자컴퓨터를연구하고교육하는전문가들이집필한만큼기술의가능성만을강조하지않는다.기대되는미래와현재가능한것,아직해결되지않은문제와현실적인한계를균형있게짚어준다.독자들은이책을통해양자컴퓨터가왜중요한지,어떤기술이실제로주목받고있는지,앞으로어떤방향으로발전할가능성이있는지를객관적인시선으로이해할수있다.단순한과학상식을넘어쏟아지는기술뉴스를비판적으로읽고미래를읽어내는안목까지기를수있다.
AI가현재를바꾸고있다면,양자컴퓨터는미래를준비하고있다.『양자컴퓨터레시피』는그미래를가장쉽고정확하게이해할수있도록안내하는든든한길잡이가되어줄것이다.양자컴퓨터를이해하고싶지만어디서부터시작해야할지막막하거나,양자역학은너무어려울것이라는생각에지레겁부터먹고포기했던독자라면,이책을처음펼치는순간‘생각보다어렵지않네’라는자신감과함께양자컴퓨터의세계로한걸음더가까이다가가게될것이다.
추천사
양자컴퓨터의현재와미래를이런깊이로이렇게쉽게쓴책은본적이없다.양자컴퓨터라는어려운주제를요리하듯쓱쓱풀어가는방식이경이롭기까지하다.초보자는물론전문가에게도도움이되는내용으로가득하다.양자컴퓨터에관한책가운데하나만선택하라면이책을추천하겠다.이분야최고의현역전문가가쓴최고의책이다.엄지두개척이다.
-김상욱(경희대학교물리학과교수)
광,이온트랩,초전도분야의양자컴퓨터전문가들이함께집필한『양자컴퓨터레시피』는복잡하고생소하게느껴지는양자컴퓨터의개념을마치요리과정을따라가듯쉽고흥미롭게풀어낸다.큐비트의기본개념에서부터양자컴퓨팅알고리즘의작동원리,현재기술수준과한계,그리고앞으로의발전방향까지잘정리된한권의요리지침서처럼체계적으로안내한다.또한책곳곳에담긴‘전문가레시피’를통해숙련된셰프만이보여줄수있는깊이있는통찰도함께만나볼수있다.
-이동헌(고려대학교물리학과교수,한국양자정보학회학회장)
저자들은“양자는아주쉬운수학공식만알아도이해할수있다”고말한다.물론맞는말이다.하지만자연과학의언어인수학이설명하는현상은우리의일상언어와쉽게연결되지않는다.저자들은이러한간극을누구보다잘이해하고,독자들에게양자컴퓨터를조금이라도더쉽고친숙하게전달하기위해많은노력을기울였다.그덕분에독자는가랑비에옷이젖듯자연스럽게양자개념을받아들이고,어느새양자를일상의언어로편안하게이야기할수있게된다.이책은이온,광자,초전도체를연구하는세명의실험물리학자가현재개발되고있는다양한양자컴퓨터구현방식을전문가의시각으로알기쉽게설명한다.이러한점에서이책이단순한기초입문서를넘어,양자컴퓨터를한걸음더깊이이해하고싶은독자들에게구체적이고든든한출발점이되어줄것이라고확신한다.
-김명식(영국임페리얼칼리지런던물리학과교수,2016호암상수상)
양자기술의미래를준비하고싶은독자,양자컴퓨터가궁금하지만어디서부터시작해야할지몰랐던독자,그리고새로운과학기술의흐름을이해하고싶은모든분에게이책을기쁜마음으로추천한다.많은독자가이책을통해양자컴퓨터라는새로운세계를즐겁게탐험하고,미래기술을바라보는넓은시야를얻기를기대한다.
-한상욱(KIST양자활용연구거점사업단장,전한국양자정보학회장)
양자컴퓨팅을연구하고창업을거쳐구글에오기까지,늘반복되는숙제중하나가이기술을비전공자에게설명하는일이었다.투자자를만나든,정부기관과협의하든,결국핵심을잃지않으면서도상대방의언어로풀어내는것이관건이었다.이책은그어려움을‘요리’라는친숙한틀로깔끔하게해결한다.특히초전도,이온트랩,중성원자등각양자컴퓨팅플랫폼이어떻게작동하고어떤장단점을가지는지를,수식없이도본질에서벗어나지않고풀어낸점이돋보인다.양자컴퓨터시대가다가오는지금,이책이많은분에게좋은길잡이가될것이라고생각한다.
-성영규(구글QuantumAI연구원,AtlanticQuantum공동창업자)
양자컴퓨터의매력은단지‘양자’에만있지않다.우리가익숙하게생각해온계산과는전혀다른방식으로도문제를풀수있다는사실자체가흥미롭다.지금우리는한세기전사람들이초기컴퓨터를바라보며미래를상상했던것처럼,새로운계산기술이태어나고성장하는과정을직접목격하고있다.친구가내게“그래서양자컴퓨터가대체무엇인데?”라고묻는다면,나는『양자컴퓨터레시피』를건네고싶다.이책을덮을때쯤이면세상을바라보는시야가조금더넓어져있을것이다.
-김영석(미국오하이오주립대학교전자및컴퓨터공학부교수,전IBMQuantum연구원)
양자컴퓨터는미래핵심기술로떠오르고있지만,일반독자가그원리를이해하기란쉽지않다.『양자컴퓨터레시피』는요리라는친숙한비유를통해큐비트,양자게이트,양자알고리즘과같은핵심개념을직관적으로설명한다.특히단순한입문서에머무르지않고최신양자컴퓨팅기술과산업동향까지충실히담아내어,현재와미래를함께조망할수있다는점이돋보인다.양자컴퓨터를처음접하는독자부터관련분야의흐름을이해하고자하는독자까지폭넓게추천할만한책이다.
-손영익(KAIST전기및전자공학부교수,전PsiQuantum연구원)