한빛미디어 서평단 <나는리뷰어다> 활동을 위해서 책을 협찬 받아 작성된 서평입니다.

감상

이 책을 볼까 말까 고민하는 중이었는데,
여기서도 리처드 파인만이 스쳐 지나가서 책을 사기로 했다.(!)
이 책을 읽고 정리하는 과정 중에 양자 컴퓨터에 대한 개념을 잡을 수 있었다.

모두콘 2024에서 양자 컴퓨팅 세션이 하나 있어 꽤 흥미진진하게 보았었다. (아쉽게도 이 강연은 유튜브에서 볼 수 없는 듯)
아직은 다가오지 않은 미래지만, 양자 컴퓨터의 하드웨어/소프트웨어 면에서 어느 기업이 선도하고 있는지 인사이트를 얻기 좋았다.
어려운 개념을 쉽게 반복적으로 풀고 있어서 이해하기도 좋고👍
주식에 관심 있다면 책에 언급하고 있는 기업 이름을 기억해 두었다가 투자해보아도 좋을 듯 하다.

기록

📜 목차

1장 양자 컴퓨팅, 세상을 바꿀 혁신의 시작

1.1 기존 컴퓨터 vs. 양자 컴퓨터

: 무엇이 다른가

양자 컴퓨팅: 양자역학이라는 독특한 물리 법칙을 바탕으로 정보를 처리하는 새로운 방식의 컴퓨터 기술

• 정보 저장 방식: 동전 vs. 팽이
  • 양자 컴퓨터의 큐비트는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있다.
  • 예컨대, 0일 확률 70%, 1일 확률 30% 겹쳐 있는 상태로 존재할 수 있음(중첩상태)
  • 결과는 아직 확정되지 않았지만 여러 가능성을 동시에 갖고 있다. 일반 컴퓨터보다 훨씬 많은 정보를 한꺼번에 담을 수 있다.
• 정보 처리 방식: 하나씩 vs. 동시에
  • 여러 계산을 동시에 처리할 수 있다.
  • 중첩 상태 덕분에 여러 경우의 수를 한 번에 계산할 수 있다.
  • 양자 병렬성(quantum parallelism)
• 연결 방식의 차이: 독립 vs. 얽힘
  • 얽힘(entanglement)
  • 얽혀 있는 큐비트들은 서로 멀리 떨어져 있어도 마치 한 몸처럼 행동
  • 하나의 큐비트를 측정하는 순간, 다른 큐비트의 상태도 동시에 결정

1.3 양자역학의 기본 개념

: 초미세 세계의 마법

• 중첩: 동시에 여러 상태로 존재하기
  • superposition
  • 중첩 상태에 있는 입자는 우리가 관찰하기 전까지는 여러 상태가 한꺼번에 존재한다. 그것을 우리가 관찰하는 순간, 그중 하나의 상태로 결정되고 다른 가능성은 모두 사라진다.(붕괴 collapse)
• 얽힘: 떼려야 뗄 수 없는 관계
  • entanglement: 2개 이상의 입자가 서로 매우 강하게 연결되어 마치 한 몸처럼 행동하는 현상
  • 두 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있든 관계없이 한 쪽의 상태가 정해지면 다른 쪽의 상태도 즉시 결정되는 현상
  • spooky action at a distance - 아인슈타인
• 양자 터널링: 벽을 통과하는 마법
  • quantum tunneling: 입자가 자신보다 높은 에너지 장벽을 마치 터널을 지나가듯 통과하는 신기한 현상

2장 양자 컴퓨터의 심장, 큐비트는 어떻게 만들어질까

2.1 양자 컴퓨터의 핵심

: 큐비트

• 결잃음과의 싸움
  • 큐비트: 양자 정보를 담는 가장 작은 단위. 매우 민감하고 불안정한 존재
  • 결잃음(decoherence): 양자 상태가 외부 환경에 의해 무너지는 연상. 현재 양자 컴퓨터 개발의 가장 큰 장애물
• 이상적인 큐비트의 조건
  • 긴 결맞음 시간(Coherence Time)
  • 높은 제어 및 측정 정확도(Control and Measurement Fidelity)
  • 확장성(Scalability)
  • 상호연결성(Connectivity)
  • 제작 용이성(manufacturability)

2.2 다양한 큐비트 구현 기술들

• 초전도 큐비트(Superconducting Qubits)
• 이온 트랩 큐비트(Trapped-ion Qubits)
• 중성 원자 큐비트
• 광자 큐비트(Photonic Qubits)
• 위상학적 큐비트(Topological Qubits)

3장 양자 컴퓨터의 소프트웨어: 알고리즘과 프로그래밍

3.2 주요 양자 알고리즘

1) 쇼어 알고리즘: 암호 체계를 뒤흔들 힘

• 1994년도 피터 쇼어가 발표

• 쇼어 알고리즘의 아이디어를 고전 컴퓨터에서 흉내낸 버전

  import random 
  import math 
  
  def mod_pow(a, x, N):
      y = 1
      while (x > 0):
          if ((x & 1) == 1):
              y = (y * a) % N
          x = x >> 1
          a = (a * a) % N
      return y
  
  def findPeriodByModPow(N, a):
      for x in range(1, N):
          if (mod_pow(a, x, N) == 1):
              return x
      return -1
  
  def factorizeByShor(N):
      while(True):
          a = random.randint(2, N - 1)
          gcd = math.gcd(N, a)
          if (gcd != 1):
              return gcd, N // gcd
          r = findPeriodByModPow(N, a)
          if (r % 2 != 0):
              continue
          gcd1 = math.gcd(N, a**(r//2) + 1)
          gcd2 = math.gcd(N, a**(r//2) - 1)
          if (gcd1 == 1 or N or gcd2 == 1 or N):
              continue
          return gcd1, gcd2

2) 그로버 알고리즘: 데이터 속 바늘을 빠르게 찾는 법

• 1996년도 로브 그로버가 개발

3) 양자 시뮬레이션: 자연을 있는 그대로 계산하다

자연은 고전 컴퓨터로 시뮬레이션하기에는 너무 복잡하다.
하지만 자연 그 자체를 이용한다면 어떨까? - 리처드 파인만

4) 양자 기계학습: AI의 새로운 지평

3.3 양자 프로그래밍

: 퀀텀 시대를 코딩하다
이 책에서 양자 프로그래밍 도구를 다양하게 소개하는데,
파이썬이 익숙하다면 IBM Qiskit document를 추천한다.

4장 양자 통신: 해킹할 수 없는 미래 통신망

4.3 양자 통신의 장점

: 깨지지 않는 방패
1) 절대적인 보안: 도청 불가능
2) 정보 이론적 보안: 계산 능려고가 무관한 안정성
3) 양자 통신의 실용적 응용 분야
4) 양자 통신의 기타 장점과 미래 전망

5장 양자 컴퓨팅, 현대 암호를 해체하다: 블록체인과 디지털 경제의 미래

5.3 양자 내성 암호

: 새로운 방패 등장
1) 양자 내성 암호의 기본 원리
2) 주요 양자 내성 암호 기술

• 격자 기반 암호
• 코드 기반 암호
• 해시 기반 암호
• 다변수 다항식 기반 암호
• 동종사상 기반 암호

3) NIST의 양자 내성 암호 표준화

4) 공개키 인프라의 양자 내성 전환

• 하이브리드 인증서
• 복합 암호화
• 단계적 마이그레이션
• 인증 기관의 준비

5) 전자상거래 시스템의 양자 내성 대응
6) 블록체인과 암호화폐의 양자 내성 전환

6장 양자 컴퓨팅이 바꾸는 산업의 미래: 신약 개발부터 AI까지

7장 양자 컴퓨팅 앞에 놓인 과제: 기술적 한계와 윤리적 문제

7.2 기술적 한계

: 장밋빛 미래를 가로막는 현실
1) 큐비트 오류: 양자 컴퓨터의 아킬레스건

• 결잃음: 양자 정보가 외부 환경과 상호 작용하면서 점차 사라지는 현상

2) 확장성: 더 많은 큐비트, 더 큰 도전

• 양자 컴퓨터의 성능을 높이기 위해서는 더 많은 큐비트를 집적해야 한다. 하지만, 큐비트 수가 증가할수록 오류율도 함께 증가하고 큐비트 간의 상호 작용을 제어하는 것도 더욱 어려워진다.

3) 냉각: 극저온 유지의 어려움