컴퓨터는 알고리듬을 실행해 정보를 처리할 수 있게 도와주는 물리적 장치다. 또한 알고리듬은 정보 처리 작업을 실현하기 위해 한정된 서술을 담은 잘 정의된 절차다. 정보 처리 작업은 언제나 물리적 작업으로 변환할 수 있다. 양자 정보 처리는 양자 이론을 물리적 현실로 구현한 결과다. 양자 정보 처리를 수행하는 장치를 양자 컴퓨터라고 한다. 이 책에서는 양자 컴퓨터로 특정 문제를 고전 컴퓨터로 풀 수 있는 것보다 더 효율적으로 해결하는 방법과 오차가 발생할 가능성이 있는 경우에도 안정적으로 수행할 수 있는 방법을 알아본다.
1장은 전산 이론과 양자물리학에 대한 기본 개념을 제시한다. 2장에서는 선형 대수와 디랙 표기법을 다루면서 앞으로 양자 컴퓨팅에 필요한 도구로 수학을 다룬다. 3장은 양자 계산 모델과 관련된 양자 역학의 틀을 익힌다. 4장은 양자 모델을 이용한 계산을 보여주면서 양자 게이트를 다룬다. 이 책의 나머지 부분에서는 양자 텔레포트, 양자 알고리듬 및 양자 오차 수정에 대해 자세히 소개한다.

컴퓨터, 공학, 수학 및 물리학에서 흥미로운 신생 분야인 양자 전산학에 관해 소개한다. 양자 전산학 분야의 고학년 학부 및 저학년 대학원생을 대상으로 한다. 기술적으로 상세하게 설명하며 다이어그램과 문제로 전체적인 내용을 명확하게 보여준다. 독자는 벡터 공간과 내적과 같은 사전 지식이 있는 것으로 가정한다. 하지만 양자 역학과 전산 복잡성과 같은 주제에 대해서는 밀접하게 알지 않아도 이해할 수 있다.

학부 수준의 과학 분야 지식, 벡터 공간과 내적을 포함한 선형대수에 관한 배경지식을 갖춘 것을 전제로 한다. 스펙트럼 분해나 텐서곱과 같은 주제에 대한 사전 친숙도는 필요하지 않으나 갖추고 있다면 도움이 될 수 있다.

1999년부터 워털루대학교에서 양자 컴퓨팅 강의를 해왔다. 다양한 분야의 학생들이 수업을 들었는데 수학과, 물리학과, 컴퓨터공학과, 물리학과, 공과대학 학생들이었다. 훌륭한 개론 논문, 연구 그리고 책들이 있었지만 이러한 자료들은 수학과 물리학의 특정 분야에 깊은 배경지식이 있는 학생들에게 맞춰 설명하고 있었다.
이를 바탕으로 다음과 같은 점들을 고려해 책을 썼다. 학부 수준의 과학 분야 지식을 갖췄으며 벡터 공간과 내적을 포함한 선형대수에 관한 탄탄한 배경지식을 갖춘 것을 전제로 했다. 스펙트럼 분해나 텐서곱과 같은 주제에 대한 사전 친숙도는 필요하지 않으나 갖추고 있다면 도움이 될 수 있다. 어떤 곳에서는 군론에서 쓰이는 기호를 넣지 않을 수가 없었다. 군론 기호가 쓰이는 절 초입에 이를 명확히 표시했으며 군론에 익숙하지 않은 독자가 이 부분을 건너뛸 수 있도록 했다. 어려운 주제를 이해하기 쉽고 친절하게 소개하면서 그와 동시에 상당히 완벽하고 기술적으로 설명했다. 본문에는 연습 문제들을 포함했다. 각 문제는 특정한 개념을 묘사하고 자세히 계산을 하거나 증명 또는 본문에 나온 개념들이 어떻게 일반적으로 쓰이게 되고 확장될 수 있는지 보여주기 위해 고안됐다. 독자들이 최대한 많은 문제를 시도하기를 바란다.
양자 정보 이론과 양자 암호학의 수학적 형식주의와 같은 흥미로우면서도 진보적이거나 지엽적인 많은 중요한 주제를 포함시키고 싶은 유혹을 떨쳐냈다. 현업을 위한 종합적인 참고 서적이 아니라, 학생들과 강사들에게 간결하고 접근이 쉬운 대학원용 개론서나 고학년 학부용 책을 만들기 위해 노력했다.

필립 로날드 카예(Phillip Ronald Kaye)

토론토에서 태어나 캐나다 온타리오 주 워털루에서 자랐다. 1995년 입학 장학금을 받으며 워털루대학교 공학부에 합격했다. 2000년 시스템 디자인 공학 학사 학위를 마쳤으며 학위 수여식에서 우수한 소통에 관한 조지 뒤폴트 메달(George Dufault Medal for Excellence in Communication)을 수상했다. 학사 학위 수여 후 여름 몇 달 동안 운동 연구(RIM, Research in Motion)에서 암호화 소프트웨어 개발자로 일하면서 대학원 과정에서 파트 타임으로 계속 일했다. 워털루의 조합 및 최적화 대학에서 석사 학위를 받았다. 석사 논문 제목은 「얽힘 집중을 위한 양자 네트워크 및 계산 복잡도 클래스 BPP의 논리적 특성화」다. 현재 워털루대학교 컴퓨터 과학 대학에서 박사 과정 중이다.

레이몬드 라플라메(Raymond Laflamme)

라발대학교에서 물리학 학부 과정을 마쳤다. 이후 영국 케임브리지로 이주해 스티븐 호킹 교수의 지도하에 DAMTP(응용 수학 및 이론 물리학과)에서 박사 학위를 받기 전에 수학적 삼각법(Mathematical Tripos) 파트 3(케임브리지대학교 수학과 석사 1년 과정)을 취득했다. 유비씨(UBC), 케임브리지 및 로스 알라모스 국립 연구소에서 근무한 후, 2001년 양자 정보 캐나다 연구 위원장으로 워털루대학교로 이직했다. 온타리오의 최우수 연구상(Ontario’s Premier Research Award)을 수상했으며 캐나다 고등 연구기관(Canadian Institute for Advanced Research)의 양자 정보 프로그램 책임자이다. 2005년 9월 캐나다 고급 연구소CIAR의 아이비 재단 펠로우(Ivey Foundation Fellow)로 지명됐다.

미셸 모스카(Michele Mosca)

1999년 옥스퍼드대학교에서 양자 컴퓨터 알고리듬으로 박사 학위를 받았다. 이후 성재롬대학교의 수학 교수, 워털루대학교 수학과 조합 및 최적화 대학에서 교수로 재직했으며 응용 암호학 연구 센터의 회원이었다. 프리미어 연구 우수상(Premier‘s Research Excellence Award)(2000~2005)을 받았으며, 양자 계산 캐나다 연구 위원장(2002년 1월 이후), CIAR 학자(2003년 9월 이후)이다. 양자 계산 연구소의 공동 창립자이자 부국장이며 페리미터 이론 물리학 연구소(Perimeter Institute for Theoretical Physics)의 창립 회원이다.

미시 세계에서는 기존의 상식을 깨는 양자 역학의 규칙이 미시 세계를 지배합니다. 양자 역학을 처음 접하면 거시 세계에서 잘 적용되는 고전역학의 상식과 충돌해서 혼란스러울 수 있지만 저자는 이를 학부 수준의 설명과 수식으로 자세히 소개했습니다.
양자 역학의 시각으로 보면 모든 입자가 파동성을 지니고 있고 중첩의 원리를 따릅니다. 따라서 기존 컴퓨터 메모리에 정보를 입력하면 0 또는 1로 비트 단위로 저장되지만 양자 컴퓨터에서는 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 큐비트 단위로 저장됩니다. 하지만 관찰자가 이를 관측하는 순간 중첩된 상태였던 것이 0 또는 1로 정해집니다. 이처럼 미시 세계는 거시 세계의 물리 관념과 달라 이를 잠시 내려놓고 이 책을 읽어 보길 바랍니다.
나아가 양자 역학을 더 자세히 알고 싶다면 리처드 파인만(Richard P. Feynman)의 강의를 책으로 집필한 『파인만의 물리학 강의 3』를 추천합니다. 이 시리즈는 리처드 파인만이 캘리포니아공과대학교에서 한 강의를 바탕으로 쓰여진 책이며, 제3권은 양자 역학을 다루고 있습니다.
본 책에도 나오지만 리처드 파인만은 양자 컴퓨터라는 개념을 처음 제시한 물리학자입니다. 당시 양자계의 문제를 풀 때 컴퓨터의 용량에 비해 계산해야 할 양이 압도적으로 많아 실용적인 결과를 도출하는 데에는 어려움을 겪었습니다. 파인만은 양자계를 계산할 때 양자계만의 성질을 이용해 새로운 차원의 컴퓨터를 만들면 계산 속도를 획기적으로 높일 수 있고 양자계를 잘 시뮬레이션할 수 있다고 생각했습니다. 그 아이디어가 근래 IBM 최초의 회로 기반 상용 양자 컴퓨터 출시와 같이 발전했습니다.
책 도입부는 앨런 튜링의 고전 컴퓨터 이론부터 양자 컴퓨팅에 이르기까지의 배경 설명과 양자 물리학의 기본 이론을 다룹니다. 2장에서는 양자 개념에 필요한 선형 대수와 디랙 표기법을 다루고 3장에서 양자 계산 모델과 관련된 양자 역학의 틀을 자세히 설명합니다. 이 책의 나머지 부분에서는 양자 텔레포테이션, 양자 알고리듬 및 양자 오차 수정에 대해 자세히 다룹니다.
번역 당시 용어는 대한 물리학회 및 수학회 용어집에 최대한 맞췄으며 독자들의 직관적인 이해를 위해 영문 용어를 쉽게 유추할 수 있게끔 했습니다. 예를 들어, ‘quantum teleportation’ 같은 용어는 ‘양자 원거리 이동’을 쓰지 않고 ‘양자 텔레포테이션’으로 통일했습니다.

김주현

고려대학교에서 물리학을 공부한 후 반도체 관련 외국계 회사에 재직중이다. 현재 계산 리소그래피(Computational lithography) 부서에서 Application engineer로 일하고 있다. 계산 리소그래피는 포토 리소그래피(Photo lithography)를 통해 얻을 수 있는 해상도를 향상시키기 위해 설계된 일련의 수학 및 알고리듬적인 접근법이며 보통 computing simulation을 통해 그 작업이 이루어진다.