금붕어의 양자 컴퓨터 이야기

머리말 iii

1. 들어가면서 / 1
2. 고전 컴퓨터의 원리 / 11
2.1 고전 컴퓨터의 역사 13
2.2 비트(Bit) 20
2.3 부울 대수 27
2.4 정리하면 40

3. 양자 물리 소개 / 43
3.1 들어가면서 45
3.2 역사적 배경 51
3.3 중첩과 간섭 64
3.4 얽힘 79
3.5 정리하면 84

4. 양자물리에서의 수학 / 85
4.1 들어가면서 87
4.2 선형 대수학 88
4.3 브라-켓 표기 108
4.4 정리하면 122

5. 양자 컴퓨터의 원리 / 125

5.1 들어가면서 127
5.2 양자 게이트 130
5.3 양자 알고리즘 145
5.4 양자 암호 155
5.5 정리하면 163

참고도서 166

머리말

아직 존재를 알지 못하지만 외계인을 실제로 만나면 어떻게 될까? 외계인은 우리말을 모르고 우리는 외계인의 말을 모르는데, 의사 소통이 가능할까?
이런 일이 2021년 1월에 서울과학종합대학원aSSIST의 양자 컴퓨터 메커니즘의 이해라는 과목에서 발생했다. 2주간 24시간 동안 아무도 이해하지 못한다는 양자 컴퓨터의 원리를 “문송”해 하는 MBA과정에서 강의를 했다.
처음에는 내가 하는 말이 학생들에게 외계어로 들린다는 것을 몰랐다. 하지만, 질문이 외계어라는 것을 깨닫고 내 말 또한 학생들에게는 외계어라는 것을 깨달았다. 정보화 시대에 같은 한국어를 사용하는 사람끼리도 이렇게 말이 통하지 않다니…
하지만, 말이 통하지 않는다고 해서 사람의 의사가 소통되지 않는 것은 아니었다. 수강한 80여명의 학생들의 적극적인 참여와 노력으로 “왜 양자 컴퓨터의 원리를 이해하지 못하는지?”는 이해하고 강의를 마칠 수 있다. 이 강의 노트는 수업의 참여한 학생들의 성원에 힘입어 당시의 기억이 사라지기 전에 빨리 작성해 두는 것이다. 아직도 외계어가 많이 남아 있다.
대학교 1학년 겨울 방학에 서점에서 우연히 알게 된 주커브의 ≪춤추는 물리≫와 카프라의 ≪현대 물리학과 동양 사상≫을 읽고 양자 물리의 기이함을 알게 되었다. 수학을 전공하였지만, 순수 수학과는 잘 맞지 않았던 것 같고, 기회가 주어지고 마음이 가는 데로 진로를 정하다 보니 대학원에서는 기계공학을 공부하고 졸업 후에 증권회사에서 금융공학을 하게 되었다.
한참 동안 잊고 지내온 양자 물리를 최근에 이슈가 되고 있는 양자 컴퓨터를 통해서 다시 만났다. 이해할 수 없었던 얽힘 현상의 EPR 모순이 이제는 당연하게 여겨지고 더 나아가 이를 이용하여 컴퓨터를 만들고 있었다. 30년 만에 다시 양자 물리를 만나니 대학교 1학년 때의 겨울 방학이 생각나고 마음이 어려진 것 같아서 좋았다.
이 책은 수강한 학생들의 열정과 성원이 없었으면 나오지 못했을 것이다. 열심히 참여해준 학생들에게 감사 드린다. 책을 출판하기를 종용하신 aSSIT의 조동성 이사장님과 김문수 부총장님, 강의를 주선한 이병욱 교수 그리고 흔쾌히 출판을 맡아주신 김은중 사장님께 감사 드린다.