양자컴퓨터의 구조 - 그림으로 이해하는 -

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.  

지은이 : 우츠기 타케루
1987.10 사이타마 현 출생
2003.4 ~ 2006.3 사이타마 현립 마쓰야마 고등학교 이과
2006.4 도쿄공업대학 제5류 입학
2007.10 ~ 2008. 9 개그맨이 되기 위해 휴학했으나 좌절
2011.9 도쿄공업대학 공학부 전기전자공학과 졸업
2013.3 도쿄공업대학 대학원 종합이공학 연구과
(야마구치 마사히로 연구실) 졸업
2013.4 주식회사 히타치제작소 입사
2019.3 현재 연구개발 그룹에 소속
2018.4 와세다대학 대학원 이공학술원 선진이공학연구과
(아오키 타카오 연구실) 입학(사회인 박사과정)
도쿄공업대학 대학원에서는 홀로그래픽 디스플레이 등의 광정보공학을 연구하고, 회사에서는 광학 기술 연구 개발에 종사하고 있다. 대학시절부터 양자컴퓨터에 흥미가 있어, 현재 매월 도내에서 “양자 정보 스터디 모임”을 주최한다.

옮긴이 : 권기태
서울대학교 계산통계학과를 졸업하고, 동 대학원에서 전산학 전공으로 이학석사와 이학박사 학위를 받았습니다. 현재 강릉원주대학교 컴퓨터공학과 교수로 재직 중입니다. 통계와 프로그래밍에 관련하여 다양한 교재의 집필과 번역 활동을 활발히 하고 있습니다.

옮긴이 : 김성훈
주로 IT 관련 서적을 번역하며, 주요 번역 도서로는 《Java 1학년》,《JavaScript 1학년》, 《C++로 배우는 딥러닝》, 《C가 보이는 그림책》, 《프로그래밍이 보이는 그림책》, 《게임 프로그래밍의 정석》, 《웹을 지탱하는 기술》,《Objective-C 프로그래밍》, 《안드로이드 개발 레벨업 교과서》, 《실무에서 바로 통하는 자바》, 《C 이보다 쉬울 순 없다》, 《iOS 디버그&최적화 기법》,《UML 모델링의 본질》, 《프로가 가르쳐주는 시퀀스 제어》, 《만화로 쉽게 배우는 선형 대수》 외 다수가 있다.

감수 : 도쿠나가 유키
1999 교토대학 종합인간학과 졸업
2001 도쿄대학 대학원 이학계 연구과 석사과정 수료
2001 일본전신전화 주식회사 입사
2007 오사카대학 대학원 기초공학연구과 박사과정 수료 박사(이학)
2019 현재 일본전신전화 주식회사 시큐어 플랫폼 연구소 특별 연구원
양자정보기술 연구에 종사. 양자광학을 기본으로 한 물리구현 면에서부터 에러 정정 부호 등의 계산기 과학까지 양자정보기술을 실현하기 위한 연구를 폭넓게 하고 있다.

제1장 양자컴퓨터 입문
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