양자역학의 원리부터 양자 컴퓨팅의 기술적 진보, 단기간 내 양자 컴퓨팅의 잠재적 유용성을 평가/재평가하기 위한 도구와 개발 의미, 양자 컴퓨팅 분야의 미래 평가 결과를 살펴볼 수 있다. 또한 아날로그 양자, 디지털 잡음이 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개하고 양자 알고리즘을 세부적으로 알아본다.
대형 양자 컴퓨터가 현재 사용되는 고전적인 암호 및 암호화 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 이 취약성을 해결하고자 지금 해야 할 일과 지금까지 진행한 작업을 설명한다.
양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 진전 내용을 설명하므로 이 한 권으로 양자 컴퓨터의 전체 흐름을 파악할 수 있다.

1장 ‘양자 컴퓨팅의 발전과 전망‘에서는 양자 컴퓨터의 계산상 장점을 소개하면서 컴퓨팅 분야의 배경과 콘텍스트를 제공한다. 반세기가 넘는 동안 고전적인 컴퓨팅 기술의 성능이 왜 그리고 어떻게 향상됐는지 주의 깊게 살펴본다.
2장 ‘양자 컴퓨팅: 새로운 패러다임’에서는 흥미롭고 도전적인 양자역학의 원리를 소개하고, 양자 컴퓨팅 커뮤니티에서 ‘고전 컴퓨터’라고 부르는 물리학의 고전적인 법칙에 따라 정보를 처리하도록 구현된 오늘날의 컴퓨터 동작과 비교한다. 양자 컴퓨터에 큐비트를 하나 더 추가해 양자 컴퓨터가 두 배로 문제를 해결할 수 있는 이유를 설명한다. 이 책에서는 아날로그 양자, 디지털 노이즈가 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개한다.
3장 ‘양자 알고리즘과 애플리케이션’에서는 양자 컴퓨터가 가진 힘을 이용하는 것이 어려운 것임을 알려주고 양자 알고리즘을 좀 더 심층적으로 살펴본다. 완전히 오류가 정정된 머신에 대해 이미 알려진 기본 알고리즘을 사용해본다. 오류 정정을 위한 오버헤드가 상당히 크다는 것을 알 수 있다.
4장 ‘양자 컴퓨팅이 암호화에 미치는 영향’에서는 현재 전자 데이터 및 통신을 보호하는 데 사용되는 고전적인 암호 시스템을 살펴본다. 그다음 대형 양자 컴퓨터가 기존 시스템을 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 그리고 이 취약성을 해결하고자 암호화 커뮤니티가 지금 해야 할 일(그리고 현재 진행한 작업)을 설명한다.
5장 ‘양자 컴퓨터의 필수 하드웨어 구성 요소‘와 6장 ‘스케일링 가능한 양자 컴퓨터의 필수 소프트웨어 구성 요소‘에서는 양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 발전 상황을 설명한다.
7장 ‘양자 컴퓨팅의 타당성과 시간 프레임’에서는 양자 컴퓨팅에서 상당한 진전을 이루기 위해 필요한 기술적 진보 및 기타 요소, 가능한 기간을 평가/재평가할 수 있는 툴과 개발의 의미, 분야의 미래에 대한 위원회의 평가를 제공한다.

10년 전에는 대부분의 사람에게 알려지지 않았던 양자 컴퓨팅(Quantum Computing)은 지난 몇 년간 대중의 상상력을 자극했다. 이러한 관심 중 일부는 무어의 법칙으로 알려진 기술 스케일링 둔화에 대한 염려 때문에 생겨난 것일 수도 있다. 무어의 법칙이 반세기 이상 컴퓨팅 성능을 주도해왔고 대체 컴퓨팅 기술에 대한 관심은 늘고 있다. 그러나 관심은 대부분 양자 컴퓨터의 독보적인 연산 능력과 근본적인 하드웨어, 소프트웨어와 알고리즘을 동작시키는 데 필요한 최근 기술 진보에서 기인한다.
양자 컴퓨터가 나오기 전의 모든 사실적인 컴퓨팅 디바이스는 확장된 ‘처치-튜링 명제(Church-Turing Thesis)’를 만족시킨다. 모든 컴퓨팅 디바이스의 성능은 일반적인 ‘보편적(universal)’ 컴퓨터보다 다항식 크기만큼 빠를 수 있다. 상대적 속도 향상은 성능 법칙만큼 올라갈 수 있다. ‘클래식’ 컴퓨팅 디바이스의 설계자가 동작 속도를 높이고(클록 주기를 늘림), 각 클록 주기 동안 완료할 수 있는 작업 수를 늘림으로써 컴퓨팅 성능은 여러 단계 향상됐다.
이러한 변화로 인해 컴퓨팅 성능이 크게 향상됐지만 결과는 보편적인 컴퓨팅 디바이스보다 약간 더 빠른 정도일 뿐이다. 1993년에 나온 번스타인(Bernstein)의 논문은 양자 컴퓨터가 확장된 처치-튜링 명제를 넘어설 수 있다는 것을 보여줬고, 1994년의 피터 쇼어(Peter Shor)는 양자 컴퓨팅의 실용적인 예를 보여줬다. 양자 컴퓨터는 이 문제를 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠르게 해결할 수 있다. 이 결과는 흥미롭지만 그 당시에는 양자 컴퓨터, 양자 비트 또는 ‘큐비트(qubit)’의 가장 기본적인 요소를 만드는 방법조차 알지 못했다. 그렇지만 최근에는 많은 상황이 바뀌었다.
트랩된 이온 원자(트랩된 이온)를 사용하는 기술과 소형 초전도 회로를 사용하는 기술은 연구 그룹이 작은 데모 양자 컴퓨팅 시스템을 구축할 수 있는 정도까지 발전했으며, 일부 그룹은 연구 커뮤니티에 이러한 기술을 이미 제공하고 있다. 이러한 최근의 진보로 인해 전 세계적으로 양자 컴퓨팅에 대한 관심이 폭발적으로 증가했다. 그러나 이 관심과 함께 과대한 선전, 양자 컴퓨팅의 잠재력과 현재 상태 간의 혼란이 동시에 존재하게 됐다. 이제는 양자 컴퓨팅이 컴퓨터 성능의 지속적인 스케일링을 가능하게 만들거나(예를 들어 단기적 영향은 적지만, 장기적 효과는 아직 알려지지 않음) 컴퓨터 산업을 어떻게 변화시킬지에 관한 기사를 자주 접할 수 있게 됐다.
양자 컴퓨팅의 실현 가능성 및 시사점에 대한 기술 평가위원회(Committee on Technical Assessment of the Feasibility and Implications of Quantum Computing)는 이 분야를 탐구해 현재의 첨단 기술, 범용 양자 컴퓨터의 가능성 및 파급 효과에 대한 명확성을 확보하는 데 도움을 주고자 모였다. 이와 같은 작업을 하면서 위원회는 양자 컴퓨팅의 이론적 특성과 한계를 분명히 하고 그 분야에 대한 대중의 일반적인 오해를 바로잡을 수 있는 기회를 가질 수 있다.
위원회는 직접적인 회의를 진행했고 일부 전화 회의와 원격 협업으로 작업을 수행했다. 그리고 위원회는 책임을 다하고자 양자 컴퓨터 하드웨어, 소프트웨어 및 알고리즘의 현재 상태를 이해하고 쇼어의 알고리즘을 적용할 수 있는 스케일링 가능한 게이트 기반 양자 컴퓨터를 만들기 위해 무엇이 필요한지 파악하는 데 집중했다. 이 과정의 초기 단계에서 현재의 공학적 접근법은 스케일링 가능하고 오류가 완전히 수정된 양자 컴퓨터를 만드는 데 필요한 크기로 직접 스케일링할 수 없다는 것을 분명히 확인했다. 결과적으로 이 그룹은 이 목표를 향한 발전 상황을 추적하기 위한 중간 지표를 찾는 데 중점을 뒀다. 이 작업 전반에 걸쳐 위원회는 여러 분야의 관점을 통합하고 단일 구성 요소나 단일 분야의 측면보다는 시스템 관점에서 실용적인 양자 컴퓨터 구축을 생각해보려고 노력했다.
이 작업은 전체적으로 분류되지 않은 상황에서 수행됐다. 결과적으로 양자 컴퓨팅의 발전 방향, 가능성, 영향에 대한 위원회의 평가는 위원회의 전문성과 경험, 공개 회의에서 수집된 데이터, 외부 전문가와 일대일 대화 및 정보만을 통해 이뤄졌으며, 국가에서 수행된 분류 활동에 관한 어떠한 정보도 위원회에 제공되지 않았다. 결과적으로 위원회는 평가가 정확하다고 믿지만, 평가는 필연적으로 불완전한 정보를 바탕으로 이뤄짐을 인정하고 개방된 과학 분야 외부 연구(비공개 또는 분류)가 필요할 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.

전미 과학•공학•의학한림원(National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine)

전미 과학한림원은 1863년에 링컨 대통령이 서명한 의회 법안에 의해 과학 기술 관련 문제에 관한 국가의 조언을 제공하는 민간 비정부 기관으로 설립됐다. 회원들은 연구에 탁월한 공헌을 한 동료 중에서 선출된다. 마르샤 맥넛 박사(Dr. Marcia McNutt)가 의장으로 활동하고 있다.
전미 공학한림원은 1964년에 전미 과학한림원 산하의 국가에 공학 관련 자문을 하고자 설립됐다. 회원들은 공학에 대한 특별한 기여를 한 동료 중에서 선출된다. 모트 주니어 박사(Dr. CD Mote, Jr.)가 의장이다.
전미 의학한림원(구 의학연구소)은 1970년 전미 과학한림원 산하의 의료 및 건강 문제에 대해 국가에 자문을 제공하고자 설립됐다. 회원들은 약과 건강에 대한 저명한 공헌을 한 동료 중에서 선출된다. 빅터 드자우 박사(Dr. Victor J. Dzau)가 의장이다.
전미 과학•공학•의학한림원은 협력해 국가에 대해 독립적이고 객관적인 분석 및 자문을 제공하며 복잡한 문제를 해결하고 공공정책 결정에 정보를 제공하는 기타 활동을 수행한다. 또한 교육과 연구를 장려하고 지식에 대한 탁월한 공헌을 인정해 과학, 공학 및 의학 문제에 대한 대중의 인식을 높이고 있다.
전미 과학•공학•의학한림원에서 발표한 공동 연구 보고서는 인정된 전문가 위원회에서 작성한 각 사항의 연구 보고서에 기반을 두고 합의된 사항들을 문서화했다. 전미 과학•공학•의학한림원은 www.nationalacademies.org에서 더 자세히 알아볼 수 있다.

미래 사회의 근간이 될 양자 컴퓨팅 기술은 기존 슈퍼컴퓨터보다 우월한 정보 처리 속도로 문제를 해결할 수 있다. 기존 컴퓨터와 전혀 다른 새로운 개념의 컴퓨터이므로 금융, 의료, 교통 등의 다양한 분야에 혁신을 가져올 것이다.
2018년 초, 구글, IBM, 인텔 등이 각각 수십 큐비트의 양자 프로세서를 공개하면서 양자 컴퓨터 구현의 기대감이 높아졌으며, 이후 2019년 구글이 양자 프로세서 칩 ‘시카모어’를 공개하며 53개의 큐비트를 이용해 현존하는 최고 성능의 슈퍼컴퓨터를 압도하는 연산 속도를 달성했다. 이와 같이 양자 컴퓨팅 기술은 지속적으로 발전하고 있고 게임 체인저 역할을 할 준비가 돼 있다. 그러나 양자 컴퓨터를 실제로 구현하는 데는 양자 게이트를 제어하고 동작 과정에서 오류를 정정하는 것이 중요하며, 이를 위해 초전도체, 이온트랩과 같은 기존 큐비트 구현 방식을 비롯한 관련 기술이 발전해야 한다. 이 책에서는 양자 컴퓨팅과 관련된 기본 요소와 고급 기술을 모두 다루므로 양자 컴퓨팅 기술에 필요한 핵심 내용을 신속히 알 수 있다.
핵심 내용은 2장부터 6장까지로, 2장에서는 양자역학의 원리를 다루며, 아날로그 양자, 디지털 노이즈가 있는 중간 규모 양자(디지털 NISQ) 및 완전 오류 정정된 양자 컴퓨터의 3가지 양자 컴퓨팅 유형을 소개한다. 3장에서는 양자 알고리즘을 좀 더 세부적으로 살펴본다. 4장에서는 현재 사용되는 고전적인 암호 및 암호화 시스템을 대형 양자 컴퓨터가 어떻게 깨뜨릴 수 있는지, 이런 취약성을 해결하려면 지금 해야 할 일과 지금까지 진행한 작업을 설명한다. 5장과 6장에서는 양자 컴퓨팅의 하드웨어와 소프트웨어 구성 요소를 만드는 데 필요한 전반적인 아키텍처와 진전 내용을 설명한다. 7장에서는 양자 컴퓨팅의 기술적 진보와 기타 요소, 사용 가능한 기간을 평가/재평가하는 도구, 개발 의미, 미래의 평가 결과를 제공한다.
이 책은 다양한 관점과 기술적 전문성으로 선택된 개별 전문가가 검토한 각 보고서를 종합한 결과물이다. 수많은 전문가의 지식과 의견이 녹아 들어가 있어서 이 책을 통해 얻을 수 있는 지식의 깊이는 매우 깊다. 양자 컴퓨팅은 기존 고전 컴퓨터와 비교해 많은 기술이 다르기 때문에 단번에 모든 것을 이해하기는 어렵다. 하지만 한 장씩 순차적으로 진행해 나가면 기본적인 요소들을 이해함으로써 시작해서 앞으로의 발전 방향까지 습득하게 될 것이다. 진심으로 모든 독자가 양자 컴퓨팅의 다양한 지식을 이해하고 실제로 활용하는 데 이 책이 많은 도움이 되길 바란다.

테크 트랜스 그룹 T4

최신 IT 테크놀로지에 대한 리서치를 목적으로 하는 스터디 그룹이다. 엔터프라이즈 환경에서 오픈소스를 활용한 프레임워크 구축에 관심이 많으며, React.js, Node.js, OpenCV, 머신러닝/딥러닝 등의 기술에 주목하고 있다. 또한 다양한 오픈소스 기반의 플랫폼 개발 활용에 많은 관심이 있다. 번역서로서는 『OpenCV를 위한 머신 러닝』(에이콘, 2017), 『컴퓨터 비전과 딥러닝』(에이콘, 2018) 등이 있다.