양자컴퓨팅 및 정보 (스캐폴딩 접근 방식)

양자컴퓨팅 및 정보 (스캐폴딩 접근 방식)

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Description
양자역학을 여러 해 동안 강의한 물리학자인 역자에게 양자컴퓨팅에 대한 교재를 번역해달라는 부탁을 받은 후 많은 고민에 빠졌다. 그러나 결국 이 작업을 시작하게 된 이유는 몇 가지가 있다. 첫째, 양자컴퓨팅이 양자역학을 기반으로 하지만 양자역학은 양자컴퓨팅을 포함한 많은 다른 영역을 포함하고 있다. 한편 양자역학을 잘 알고 있다고 하더라도 양자컴퓨팅에 대한 책을 번역하는 것은 다른 문제이다. 하지만 교재를 읽어보니 이 책은 양자역학에 기반을 둔 설명을 많이 하고 있기 때문에 번역이 어렵지 않을 것 같았다(물론 번역을 하면서 이것은 전혀 잘못된 생각이라는 것을 확인할 수 있었다). 그래서 이 책을 번역하는 과정에서 역자 자신이 이해의 영역을 넓히고, 이를 기반으로 새로운 연구 분야를 찾겠다고 결심하고 번역 작업을 수락하였다. 둘째, 2025년 현재 양자컴퓨팅에 대한 연구는 매우 활발하고, 쓸모 있는 계산을 수행할 수 있는가에 대한 치열한 학문적 논의가 진행되고 있고, 학계에서도 이에 대한 교육을 심각하게 고려하고 있다. 그러나 양자컴퓨팅에 대한 적절한 교재가 많지 않고, 또 양자역학에 대한 사전지식과 양자컴퓨팅의 진입 방법이 교재마다 다르기 때문에 학생들이 어떻게 시작할지 고민할 것이라는 사실이 역자에게도 가슴 깊이 다가왔다.
본 교재는 정통적인 방법으로 양자컴퓨팅에 접근하고 있다. 이것은 양자역학의 기본적인 개념, 즉 중첩과 얽힘에 대한 물리적 논의로 시작하여 선형대수에 입각한 수식화를 완성하며, 이를 통해 양자게이트 및 양자알고리즘과 같이 다양한 양자컴퓨팅의 주제를 취급한다는 것을 의미한다. 역자는 시작하는 대학원생이나 3, 4학년 학부생이 이 책에서 양자컴퓨팅의 정수를 얻기 바란다. 또한 이 책은 3권으로 이루어진 시리즈 중 한 책으로 양자컴퓨팅의 주된 부분이다. 다른 책은 양자컴퓨팅을 공부하기 위한 수학적인 기초를 다룬다. 이것은 마치 공대에서는 공업수학, 물리학과에서는 수리물리학에 비유할 수 있다. 세 번째 책은 양자컴퓨팅의 응용과 첨단 분야를 다룬 것이다. 따라서 이 책으로부터 시작하여 독자는 양자컴퓨팅을 즐기고, 이 기괴하고 흥미로운 분야에 푹 빠지기를 권한다.
2025년 7월
최 준곤
저자

PeterLee

Dr.PeterY.LeeholdsaPh.D.inElectricalEngineeringfromPrincetonUniversity.HisresearchatPrincetonfocusedonquantumnanostructures,thefractionalquantumHalleffect,andWignercrystals.Followinghisacademictenure,hejoinedBellLabs,makingsignificantcontributionstothefieldsofphotonicsandopticalcommunicationsandsecuringover20patents.Dr.Lee'smultifacetedexpertiseextendstoeducationalsettings;hehasarichhistoryofteaching,academicprogramoversight,andcomputerprogramming.Dr.LeeiscurrentlyonthefacultyofFeiTianCollege,NewYork.

목차

수준지표
표시되지않는내용:양자컴퓨팅의초보자를포함한모든독자에게적절한기초적인내용.
✳:전형적으로일반독자에게접근가능한처음의개념적요약이고,이후학부4학년생이나선형대수배경이있는초기대학원수준의독자를위한많은수학을사용하는부분이따라온다.표시되지않는내용에친숙하다고가정한다.
✸:수준의주제를넘어확장한고급탐구.


I큐빗과큐딧:기초
CHAPTER1 광자를통한양자역학
1.1 양자역학개요 4
1.2 광자의이해 6
1.3 양자상태가설 10
1.4 양자관측량가설 18
1.5 양자측정가설 24
1.6 불확정성원리 34
1.7 ✸양자역학에대한참고도서 36
1.8 주제복습 37
1.9 요약및결론 40
문제1 41
CHAPTER2 스핀계의기초
2.1 스핀,각운동량과자기모멘트 44
2.2 스핀-1/2상태와Pauli행렬 45
2.3 일반적인스핀상태표현 48
2.4 Bloch구 51
2.5 스핀측정 54
2.6 요약및결론 57
문제2 58
CHAPTER3 큐빗과큐딧의구조
3.1 물리큐빗계 60
3.2 큐빗과큐딧상태 61
3.3 기준변환 65
3.4 ✳양자측정의일반적인수식화 72
3.5 ✸양자상태단층촬영술의응용 81
3.6 요약및결론 82
문제3 84
CHAPTER4 양자계의동역학
4.1 양자역학의시간변화가설 88
4.2 ✳슈뢰딩거방정식 89
4.3 에너지고유상태의정상적성질 93
4.4 범용양자컴퓨팅과직접시뮬레이션 96
4.5 ✳Larmor세차운동과Rabi진동 100
4.6 ✸추가적인응용 106
4.7 ✸미루었던증명 108
4.8 요약및결론 110
문제4 111


II양자게이트&기본회로
CHAPTER5 단일큐빗양자게이트
5.1 양자와고전논리게이트 116
5.2 보통의단일-큐빗게이트 119
5.3 게이트시퀀스에서양자회로로 128
5.4 양자난수생성기 132
5.5 BB84양자키분포(QKD)프로토콜 133
5.6 양자동전게임 140
5.7 ✸복제불가능정리:증명의개요 143
5.8 요약및결론 144
문제5 145
CHAPTER6 다중큐빗계
6.1 2큐빗계 148
6.2 ✳2-큐빗계의측정 152
6.3 다중큐빗계상태 161
6.4 ✳다중큐빗계의측정 167
6.5 ✳다중큐빗상태의시간변화 173
6.6 요약및결론 177
문제6 178
CHAPTER7 다중큐빗양자게이트
7.1 많이사용하는다중큐빗게이트 182
7.2 큐빗게이트의범용집합 191
7.3 양자게이트의Boole표현 194
7.4 동등한게이트시퀀스 199
7.5 ✸탐구주제 208
7.6 요약및결론 210
문제7 211


III양자얽힘
CHAPTER8 Bell상태
8.1 최대얽힘상태 218
8.2 ✳Bell기준 220
8.3 Bell상태생성 222
8.4 Bell측정 225
8.5 Bell상태전환 227
8.6 ✳미뤄두었던증명 229
8.7 ✳일반화:GHZ상태 230
8.8 요약및결론 230
문제8 231
CHAPTER9 얽힘과Bell부등식
9.1 고전적인상관관계와양자얽힘 236
9.2 EPR모순 239
9.3 Bell부등식 241
9.4 고전적인상관관계가있는Bell-CHSH부등식 243
9.5 양자얽힘이있는Bell-CHSH부등식 245
9.6 실험적확인 248
9.7 비통신정리 252
9.8 ✳Bell상태에대한Bell-CHSH양의유도 253
9.9 ✸심층탐구 258
9.10 요약및결론 260
문제9 261
CHAPTER10 얽힘의주요응용
10.1 사전검토 267
10.2 초고밀도코딩 269
10.3 양자순간이동 272
10.4 얽힘교환 283
10.5 양자게이트순간이동 288
10.6 E91양자키분포프로토콜 301
10.7 요약및결론 306
문제10 307


IV양자계산과정보
CHAPTER11 양자알고리즘:샘플모음
11.1 Deutsch-Jozsa알고리즘 315
11.2 QUBO,VQE,QAOA와AQC 325
11.3 양자폭탄과양자화폐 344
11.4 요약및결론 359
문제11 360
CHAPTER12 밀도연산자와양자채널
12.1 혼합상태와밀도연산자 366
12.2 Bloch구에서일반적인단일큐빗상태 375
12.3 밀도연산자에의한측정 378
12.4 양자채널과CPTP변환 385
12.5 부분대각합과축소밀도연산자 397
12.6 비방송정리와비통신정리 403
12.7 요약과결론 407
문제12 408
CHAPTER13 양자오류수정:기본입문
13.1 예비개념 412
13.2 양자컴퓨팅의오류구조 418
13.3 오류수정코드소개 443
13.4 요약및결론 464
문제13 465
CHAPTER14 양자정보의기초
14.1 양자확률기초 469
14.2 양자엔트로피와정보 490
14.3 ✳양자정보의핵심정리 505
14.4 심화탐구 512
14.5 요약및결론 515
문제14 516

V보조자료

핵심적인수학:빠른참고
A복소수 523
B삼각함수 524
CQCI에대한선형대수 526
DPauli행렬 533
참고문헌|536
찾아보기|543