양자 통신을 이용한 네트워크 구축에 관한 이론과 실제를 소개한다. 현재까지 개발된 양자 네트워크의 기술적인 부분을 집중적으로 소개하며, 발전해 나갈 앞으로의 전망을 다룬다. 특히 양자 순간이동을 이용하는 얽힘 공유, 양자 키분배, 양자 정화와 같은 기초 기술들을 소개하고, 양자 인터넷에서 핵심적으로 필요하게 될 양자 중계기, 양자오류보정, 양자 라우팅 기술에 대해 소개한다. 양자 인터넷을 구축하기 위한 네트워크 공학자들과 양자 과학자들 사이의 이해를 돕는 가교 역할을 할 만한 책이다.

이상적으로 말하면, 이 책은 두 세계의 ‘사상의 만남’을 생성할 것이다. 네트워크 종사자는 보기보다는 양자 네트워크를 겁낼 필요가 없다는 사실을 알게 될 것이고, 분산된 양자 정보를 사용하는, 새로 등장한 분야에 숨은 놀라운 개념을 알게 될 것이다. 물리학자들은 네트워크의 복잡하고 창발적인 거동이 그 구성 원소들의 개별적 행동에서 자연스럽게 예측되는 것이 아니며, 네트워크가 복잡하고 인공적인 창조물임을 발견할 것이다. 그리고 그들이 지금까지 물리에서 연구해온 것만큼이나 기초적이고 아름다운 모든 조각으로 만들어진 어떤 원리 위에 세워졌음을 발견할 것이다. 이 책을 읽고 나면 어떤 분야의 독자라도 양자 중계기를 다룬 기존 문헌과 기반한 고전 네트워크 아키텍처에 양자 중계기 네트워크를 설계할 준비가 될 것이다. 독자들은 (1) 물리적 원리의 합리적인 추상화, (2) 결정 과정의 분산되고 자율적인 특성, (3) 인터넷과 같은 네트워크들의 네트워크가 갖는 기술적이고 운영적인 측면에서의 이질성을 모두 고려한 양자 중계기의 시뮬레이션을 구현하는 데 충분한 지식을 알게 된다.

◆ 양자 정보에 관심 있고 이 분야에서 작업을 고려하고 있지만 기초적인 배경지식은 없는 고전 네트워크 관련 종사자
◆ 네트워크 중계기와 관련된 경험이 없거나, 소개가 필요한 양자 정보 전문가들, 또는 작업은 시작했지만 네트워크 배경지식이 필요한 사람들

4부로 구성되어 있으며 기초 배경지식에서 양자 네트워크의 응용 분야, 이어서 끝 대 끝 양자 통신을 가능케 하는 현재 진행 중인 양자 중계기 네트워크 연구의 최첨단으로 독자들을 이끌어간다. 끝으로, 다양한 토폴로지에 연결된 많은 노드로 구성된 복잡한 양자 네트워크로 마무리한다. 1부는 개괄을 포함하여, 양자 정보, 고전 네트워크, 양자원격전송에 대한 배경지식을 다루는 3개의 장으로 이어진다. 2부는 세 가지 응용 분야, 즉 양자 키 분배, 분산 양자 컴퓨터, 물리적 기준계로서의 얽힌 상태의 사용을 다룬 장으로 구성된다. 이어서 이 기술의 가장 기초 부분으로 초점을 이동한다. 물리적 얽힘 실험으로 시작하여, 양자정화라고 알려진 오류 감소 기술에 대한 연구, 기초 연결 아키텍처에 대한 완전한 설명을 가능케 하는 얽힘교환, 양자 오류 보정 기법, 비동기식 양자 네트워크에 대해 다룬다. 이 책은 다중 사용자, 자율적 네트워크에 관한 2개의 장으로 마무리된다. 여기에는 다중화, 라우팅, 양자 인터네트워킹 아키텍처, 재귀적 양자 네트워크 아키텍처(QRNA)에 관한 설명이 포함된다. 마지막으로, 이 분야의 미래 방향에 대해 논의한다.

우리에겐 양자 인터넷이 필요하고, 그걸 만들기 위해 양자 인터네트워킹 기술이 필요하다. 기술적, 사회적 측면 모두에서 양자 인터넷을 달성하는 데 이 책이 기여할 수 있길 바란다. 이 책은 고전 컴퓨터 시스템과 네트워크 분야에서 15년, 그리고 양자 컴퓨터와 네트워크 분야에서 십여 년간 쌓아온 내 경험을 기반으로 한다.
양자 컴퓨팅과 양자 통신 모두를 포함하는 양자 정보는 이론과 실험 양자물리, 이론 컴퓨터과학(또는 정보학), 그리고 궁극적으로 정보기술산업계에 크고 지속적인 영향을 끼치는 태도를 보여왔다. 그중 중요한 하위 분야는 양자 네트워크, 특히 이 책에서 집중적으로 다루는 양자 중계기(quantum repeater)를 사용하는 것이다. 양자 신호는 약하고 부서지기 쉬우며, 일반적으로는 복사되거나 증폭될 수 없다. 이질적인 기술로 만들어지고 수많은 독립적 기관에 의해 관리되는 복잡한 토폴로지를 가진 네트워크에서 신뢰성 있게 장거리 데이터 교환을 가능하게 하는 양자 통신 세션을 공학적으로 다루려면 엄청나게 넓은 범위의 전문성이 필요한데, 이 분야를 완전히 알고 있는 사람은 극히 드물다. 앞으로 책 전체에 걸쳐 개개인의 기여 위에 공통된 기초를 세워볼 것이다.

로드니 반 미터(Rodney van Meter)

일본 후지사와에 소재한 게이오대학교의 환경정보연구실 부교수다. 연구 분야는 양자 컴퓨터, 양자 네트워크, 비보편 컴퓨터 아키텍처, 대규모 분산 대용량 저장 시스템 등이다.

현대 사회에서 인터넷은 개인과 개인의 통신이라는 개념을 넘어서 다양한 사회를 지구 전체에 걸쳐 연결하는 거대한 그물망이다. 또한 현대 문명의 정점을 상징하는 개념이자 도구 중 하나다. 현재 주로 사용되고 있는 통신망은 고전적인 전자 기학과 전자공학 기술에 기반한 것으로, 이 기술에서 정보를 다루는 단위는 0과 1의 두 가지 상태 중 하나의 상태만 허용하는 비트(bit)다. 비트 개념을 이용하면 최초의 전자식 컴퓨터가 발명된 이후의 컴퓨터와 컴퓨터들 사이의 통신에 이용되는 모든 정보를 표현할 수 있다. 하지만 컴퓨터와 전자 통신의 속도가 점점 빨라지면서 고전 물리학에 기반한 정보 처리 기술만으로는 더 이상 성능을 발전시킬 수 없는 한계에 맞닥뜨리게 됐다. 가령, 컴퓨터 CPU의 성능을 높이기 위해 전자회로의 크기를 매우 미세하게 만든 결과, 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 양자역학적인 현상들을 피할 수 없게 됐다. 결과적으로 미시세계에서 중요하게 작용하는 양자역학은 고전 물리학에 기반한 기술이 더 이상 통하지 않는 한계가 됐다.
양자역학을 계산에 직접 이용하는 양자 컴퓨터는 이런 한계를 돌파하거나 우회할 수 있는 새로운 계산 패러다임으로 등장했다. 양자 컴퓨터는 양자 비트(quantum bit), 줄여서 큐비트(qubit)를 정보의 단위로 사용한다. 큐비트가 고전적인 비트와 결정적으로 다른 점은 두 상태의 중첩을 근본적으로 허용한다는 것이다. 즉, 양자 컴퓨터는 0과 1의 양자역학적 중첩 상태를 계산에 이용할 수 있다. 그리고 이 특성의 결과로 양자 컴퓨터는 고전적인 컴퓨터의 성능을 훨씬 뛰어넘는 양자 우월성(quantum supremacy)을 보일 것으로 기대된다.
양자 컴퓨터의 정보 처리 단위가 큐비트가 되면서, 여러 양자 컴퓨터를 연결하는 방법 역시 양자역학적으로 바뀔 필요가 생겼다. 가깝게는 같은 책상 위에 있는 양자 컴퓨터 두 대를 연결하는 것부터 멀게는 지구 반대편에 있는 양자 컴퓨터를 연결하는 것까지 모두 통신망을 이용해야 하는데, 그 통신의 정보 단위가 큐비트가 된다. 기존의 통신망은 당연히 비트를 이용해 정보를 전송하므로 큐비트의 특성을 그대로 전달할 수 없고, 이것은 양자 컴퓨터를 서로 연결해서 사용하는 이점을 전혀 누리지 못하도록 방해한다. 즉, 양자 통신과 이를 이용한 양자 인터넷은 양자 컴퓨터 시대에 필수적인 통신 기술의 패러다임이다.
저자는 양자역학을 이용한 기본적인 통신 기술과 이를 확장해서 전지구적인 규모의 인터넷까지 어떻게 구축할 수 있는지 소개한다. 특히, 양자얽힘(quantum entanglement)과 양자원격전송(quantum teleportation)이라는 흥미로운 주제에서 시작해 양자 키 분배, 얽힘 기준계, 양자정화 같은 기초적인 통신 기술을 설명하고, 양자 중계기, 양자 라우터, 양자 오류 보정 같은 주제로 발전시킨다. 특히 이런 기술들이 기존의 고전 통신망의 어떤 기술과 유사한지, 그리고 기존의 인터넷 통신망과 어떻게 융합될 수 있는지 설명한다. 이 책은 양자 인터넷을 구축하려는 네트워크 공학자들과 양자 과학자들 사이의 이해를 돕는 가교 역할을 할 것이다.
최대한 역자의 관점은 배제하고 저자의 논조와 설명이 가급적 독자에게 이해될 수 있도록 옮기는 데 주력했다. 다만, 그럼에도 불구하고 원서의 탁월함이 독자에게 잘 전달되지 않았다면 그에 대한 비난은 역자의 몫이라고 생각한다. 이 책이 많은 국내 독자에게 도움이 되기를 바란다.

남기환

중앙대학교에서 물리학, 수학을 전공하고 한국방송통신대학교에서 컴퓨터과학, 영어영문학을 전공했다. 중앙대학교에서 입자물리학 석사를 취득하고, 카이스트 물리학과 박사 과정을 중퇴했다. 현재 광통신 관련 업체에서 연구원으로 재직 중이다.