최근 들어 언론 보도에서 양자 컴퓨팅 뉴스가 자주 소개된다. 여러분은 중국이 지구에서 위성으로 큐비트를 순간 이동했고, 쇼어의 알고리즘이 현재의 암호화 체계를 위험에 빠뜨리고 있으며, 양자 키 분배 덕분에 암호화 체계의 안전성을 되찾을 수 있고, 그로버의 알고리즘이 데이터 검색의 속도를 향상시킬 것이라는 뉴스를 아마 들어봤을 것이다. 하지만 이러한 소식은 실제로 무엇을 의미하는 걸까? 이 모든 것은 어떻게 동작할까? 이 책이 이 모든 것을 설명해줄 것이다.
그런데 수학을 사용하지 않고 양자 컴퓨팅을 설명하는 것이 가능할까? 그렇지 않다. 정말로 원리를 이해하고 싶다면 수학 없이는 제대로 설명할 수 없다. 기초 개념은 양자역학에서 비롯되며 반직관적일 때가 많다. 말로만 설명하는 것은 효과가 없다. 일상생활에서 경험할 수 없는 것이기 때문이다. 설상가상으로 말로 설명하는 것은 우리가 실제로 이해하지 못한 것을 이해했다고 착각하게 만들기 십상이다.
다행히도 많은 양의 수학이 필요하지는 않다. 수학자인 내 역할은 최대한 수학을 단순화하는 것, 즉 핵심에 집중하고 그 사용법과 의미를 보여주는 기초 예제를 제공하는 것이다. 그럼에도 이 책에는 독자 여러분이 본 적 없는 수학 개념이 담겨 있을 것이다. 더불어 모든 수학 개념이 그러하듯 처음에는 생소하게 느껴질 수밖에 없다. 따라서 예제를 대충 훑어보지 말고, 계산 단계를 하나씩 따라가면서 주의 깊게 읽는 노력이 중요하다.
양자 컴퓨팅은 양자역학과 컴퓨터 과학의 아름다운 퓨전(fusion)으로, 20세기 물리학의 빛나는 개념을 컴퓨팅에 관한 완전히 새로운 사고방식과 결합한 것이다. 양자 컴퓨팅의 기본 단위는 큐비트(qubit)다. 우리는 큐비트가 무엇이고 큐비트를 측정할 때 무슨 일이 일어나는지 배울 것이다. 고전적인 비트는 0 또는 1이다. 고전적인 비트 0을 측정하면 0을 얻고, 1을 측정하면 1을 얻는다. 어느 경우든 비트의 값은 바뀌지 않는다. 하지만 큐비트의 경우 상황이 전혀 다르다. 큐비트는 무한히 많은 상태(0과 1의 중첩) 중 하나일 수 있다. 하지만 큐비트를 측정하면 0 또는 1 중에 하나의 값을 얻는다. 측정 행위가 큐비트를 바꾸는 것이다. 간단한 수학적 모형으로 이 모든 현상을 세밀하게 기술할 수 있다.
큐비트는 얽힐 수도 있다. 큐비트 중 하나를 측정하는 것이 다른 큐비트의 상태에 영향을 주는 것이다. 이 현상도 우리가 일상생활에서 경험할 수 없는 것이다. 하지만 수학적 모형으로 완벽하게 기술할 수 있다.
이 세 가지 현상, 즉 중첩, 측정, 얽힘은 양자역학의 핵심 개념이다. 일단 이 개념들이 무엇을 의미하는지 배우면, 양자 컴퓨팅에서 이들을 어떻게 사용할 수 있는지 이해할 수 있다. 인류의 독창성은 바로 이 부분에서 빛을 발한다. 수학자들은 증명은 아름다운 것이며 예상치 못한 통찰을 포함할 때가 많다고 말한다. 나는 이 책에서 다룰 여러 가지 주제를 설명할 때도 같은 느낌을 받았다. 벨의 정리, 양자 순간 이동, 초고밀도 코딩은 모두 보석과 같다. 에러 정정 회로와 그로버의 알고리즘은 정말로 놀랍다.
이 책을 읽으면서 여러분은 양자 컴퓨팅의 근간이 되는 기본 개념을 이해할 뿐 아니라, 독창적이고 아름다운 여러 구조들을 배울 수 있다.
천재적이고 아름다운 몇 개의 구조물을 보게 될 것이다. 양자 컴퓨팅과 고전적 컴퓨팅이 별개의 원리가 아니며 양자 컴퓨팅이 좀 더 근본적인 형태의 컴퓨팅임을 깨닫게 될 것이다. 고전적으로 계산될 수 있는 것은 모두 양자 컴퓨터에서도 계산될 수 있다. 비트가 아니라 큐비트가 계산의 기본 단위다. 컴퓨팅은 본질적으로 양자 컴퓨팅을 의미한다.
마지막으로, 이 책은 양자 계산의 이론을 다룬다는 점을 강조하고 싶다. 다시 말해서, 하드웨어가 아니라 주로 소프트웨어에 관한 책이다. 하드웨어를 간단히 언급하고 물리적으로 큐비트를 얽힌 상태로 만드는 방법도 설명하지만 어디까지나 부차적인 내용일 뿐이다. 이 책은 양자 컴퓨터를 만드는 방법이 아니라 사용하는 방법을 다룬다.
