2024년 12월 구글에서 Willow 양자 칩을 통해 양자 오류 수정에서 중요한 임계점을 달성했다는 뉴스가 나왔다. 다만 아쉽게도 양자 컴퓨팅의 이해가 높지 않아 얼마나 기념비적인 업적인지, 어떤 의의를 갖는지는 잘 느끼지 못했다. 이런저런 양자 컴퓨터와 관련된 책을 찾아 봤지만 대부분은 행렬 수학과 선형대수학 그리고 어떻게 읽어야 하는지도 모를 어려운 수식과 그 풀이 때문에 읽을 엄두도 안나는 책들이었고, 그나마 수식이 적은 책은 상대적으로 옛날에 출판된 책이라 최신 연구, 발전 동향을 알기엔 한계가 있었다.
그러던 중 서점에서 슥 훑어보다 수식이 적고 그동안의 양자 컴퓨터 발전 과정과 동향을 알 수 있겠다 싶은 책이 『모두를 위한 양자 컴퓨터』 책이었다. 장바구니에 담아 두고 다른 책을 먼저 읽다가 마침 한빛미디어 서평단 활동으로 책을 후원받을 수 있었고, 책을 읽고 그 후기를 남겨본다. 서평은 개인의 양심에 따라 작성했다.
책 정보

- 윌리엄 헐리, 플로이드 스미스, 『모두를 위한 양자 컴퓨터』, 류정원 옮김 (한빛미디어, 2025)
- 온라인 서점 링크: 한빛미디어, 교보문고
내가 읽은 이 책은
위에서 말한대로 내가 책을 읽으며 기대했던 내용은 엄밀한 수식 풀이보다는 양자 컴퓨터는 어떻게 발전해 왔는지, 현대에 어디까지 왔는지, 양자 컴퓨팅을 가능케 하는 핵심 아이디어는 무엇인지, 현재 더 발전하기 위해 해결해야할 문제들은 무엇이 있는지, 우리가 흔히 갖고있는 오해는 무엇이며 이에 답해주는지였고, 책은 이 기대에 만족하는 책이다.
책에서 얻을 수 있는 것과 아닌 것
아래 감상을 통해 본인이 이 책을 읽었을 때 원하는 정보를 얻어갈 수 있는지 가늠이 되면 좋겠다.
- 책에서 일부러 생략한 맥락과 자료들을 찾아보며 제대로 읽으려면 며칠로는 부족하고 몇 주 정도 걸림
- 역사를 알려줘서 좋은 책
- 양자 역학에서 소개되는 중첩, 얽힘, 결맞음 등의 개념이 대체 무엇이고, 특정 기술의 발전과 등장엔 어떤 맥락이 섞여있고, 어디까지 왔는지 이해할 수 있음
- 다만 현대 양자 컴퓨팅의 각 요소들을 깊게 이해하기엔 아쉬움
- 게이트 기반 양자 컴퓨팅에 사용되는 아다마르 게이트, 파울리 x 게이트, cnot 게이트가 무슨 게이트고 어떤 원리이며, 언제 필요한지 기술적으로 알려주진 않음
- 파이썬 sdk를 사용해 클라우드 업체가 제공하는 양자 컴퓨팅을 실행시키는 코드를 보여는 주지만 그와 관련된 설명과 주석은 하나도 없음
- 물리학, 수학, 코드와 관련된 이해를 높이는건 이 책의 목표가 아님
- rsa 암호 체계를 무너뜨린다고 알려진 쇼어 알고리즘을 소개하나, 어떻게 무슨 원리로 소인수 분해를 빠르게 하는지 설명해주지 않음
- 쇼어 알고리즘의 언급은 곳곳에서 등장하나, 나중에 14장에서 5줄 정도로만 그나마도 생략된 작동 원리를 언급하는데 그침
- 양자 컴퓨팅으로 문제를 풀기 위해선 어떤 문제를 양자 알고리즘으로 변환하는게 필요하다고 하나 어떻게 그럴 수 있는지 how to를 제공해주지 않음
책의 내용과 감상 정리
책을 읽으며 인상깊었던 부분, 궁금증이 든 대목, 중요 내용을 정리했다. 책의 흐름에 따라 메모했으나 생략된 내용도 많으니 직접 책을 읽어볼 것을 권장한다.
파트 0. 이 책에 대하여
- 다음과 같은 내용을 배울 수 있음
- 양자 역학의 핵심 원리와 양자 컴퓨팅과의 관계
- 실제 응용 사례로 살펴본 오늘날의 기술 현황과 비즈니스, 직업 연관성
- 양자 컴퓨팅의 활용 방법
- 양자 어닐링과 게이트 기반 양자 컴퓨팅의 차이점
- 12가지 유형의 큐비트 중 적합한 게이트 양자 컴퓨팅 방식 선택하기
- 비즈니스 문제를 해결하는 데 도움이 되는 19가지 양자 알고리즘
- → 19가지 양자 알고리즘을 소개는 해주나 비즈니스 문제를 해결하는데 도움이 되기까지는 무척 깊은 골짜기가 남아있다.
- 양자 컴퓨팅으로 뭘 할 수 있을까 질문에 대한 답을 줌
- 물리학이나 수학을 안다고 가정하지 않음
- 프로그래밍을 한 경험이 있다고 가정하지 않음
파트 1. 양자 컴퓨팅의 성능
- 양자 컴퓨팅은 오늘날 우리가 사용하고 있는 전통적인 컴퓨팅을 보완하는 것이 목표이며, 이를 대체하려는 것이 아님
- → 소설이나 영화에 표현된 것 처럼 양자 컴퓨터가 상위 호환이라 나중엔 이로 대체되는 줄 알았으나 오해였다.
- 양자 컴퓨팅의 이해를 돕는 다섯 가지 핵심 아이디어
- → napkin.ai를 이용해봤다.
- 큐비트: 양자 역학적 특성을 지닌 비트
- → 큐비트는 특정 물리적 객체라기보단 일종의 추상화된 개념으로 받아들이는게 이해에 수월했다. 실제 비트 표현은 트랜지스터라는 물리적 매개체로 이루어지듯, 큐비트 표현은 광자, 전자, 초전도 금속 등의 물리적 매개체로 이루어질 수 있다.
- 중첩: 큐비트는 측정되기 전까지는 0과 1 사이의 무한한 범위의 값을 가질 수 있음. 여러 값을 동시에 가질 수 있는 능력
- 얽힘: 큐비트는 서로 얽힌 상태에 있을 수 있음. 한 입자의 값을 측정하면 다른 입자의 대응하는 값을 알 수 있는 상태
- 터널링: 중간에 장벽이 있어도 입자가 한곳에서 다른 곳으로 순간적으로 이동하는 행동
- 결맞음: 전자 같은 양자 입자가 외부의 교란을 받지 않은 상태. 결맞음 상태의 입자만이 중첩과 얽힘 상태에 있을 수 있음
- 큐비트는 광자, 중성 원자, 이온 트랩, 매우 많은 원자로 구성된 작은 초전도 금속 조각으로 이루어진 작은 물리적 조각인 양자 입자
- 좋은 큐비트는 비교적 쉽게 결맞음 상태를 만들고 유지할 수 있음
- 큐비트의 계산 결과는 확률 집합임
- 주어진 큐비트로 오류 없이 같은 계산을 여러 번 반복하면 어떤 실행에서는 0을, 다른 실행에서는 1을 나타냄.
- 최종 결과는 각 큐비트가 0또는 1을 나타낸 횟수로 구성됨.
- 대부분의 양자 계산 결과는 단일 숫자가 아닌 확률 집합으로 나타남.
- 양자 컴퓨팅의 다양한 유형
- → 양자 컴퓨터는 한 종류가 아니라 여러 갈래가 존재했다.
- 양자 기반 컴퓨팅quantum-inspired computing
- 양자 컴퓨팅에서 얻은 통찰력을 사용해 전통적인 컴퓨터에서 실행되는 새로운 알고리즘을 만들 때
- 양자 컴퓨터 시뮬레이터를 전통적인 컴퓨터에서 실행할 때
- 양자 컴퓨팅 개발의 초기 단계에서 생산적인 접근 방식이었음
- 양자 어닐링quantum annealing
- 기존 전통적인 컴퓨팅에서 존재하는 시뮬레이티드 어닐링 접근 방식
- 금속을 가열해 내부 구조를 녹인 다음 냉각항여 더 부드럽고 작업하기 쉬운 형태로 만드는 금속 공학의 담금질(어닐링)과 유사함
- 외판원 경로 탐색같은 최적화 문제를 해결하는 데 유용
- 이 방식의 양자 컴퓨팅 버전을 양자 어닐링이라고 함
- 큐비트 오류를 허용하고 정확하지 않은 결과를 얻을 수 있지만 유용함
- 게이트 기반 양자 컴퓨팅gate-based quantum computing
- 양자 회로를 사용해 전통적인 컴퓨터의 논리 게이트 구조를 재현
- 구현이 매우 어렵고 오류에서 자유롭지 않기에 현재는 효용성이 떨어짐
- 충분한 시간이 지나면 게이트 기반 양자 컴퓨팅이 모든 종류의 문제를 처리하는 가장 좋은 방법이 될 것이라 믿음
- 큰 도전 과제
- 큐비트 길들이기: 간섭을 최소화하고 결맞음 상태를 유지시키기
- 온도 변화, 진동, 물리적 상호 작용으로 인한 노이즈를 최소화하고 오류를 감지하기
- 양자 컴퓨터는 오늘날 우리가 사용하는 컴퓨터와 협력해야만 자기 역할을 제대로 할 수 있음
- 아직 중요 문제에서 전통적인 컴퓨팅보다 우월함을 입증하지 못함
- IBM에서 127개의 큐비트를 이용해 127개의 막대자석 간의 상호 작용을 시뮬레이션함
- 전통적인 슈퍼컴퓨터는 63큐비트까지만 따라잡을 수 있었음
- 양자 역학의 핵심
- 양자화: 공간, 시간, 물질, 에너지가 더 나눠질 수 없는 개별적인 단위로 구성됨
- 불확정성: 기본 입자의 위치와 운동량을 동시에 알 수 없음. 이로 인해 전자 궤도는 핵 주위의 구름으로 표시됨
- 결맞음: 중첩과 얽힘을 유지할 수 있는 상태
- 결맞음 상태의 물질은 작고 단단한 당구공 같은 일상적인 물질보다는 파동처럼 작용하는 에너지 다발로 작용함
- 아인슈탄인의 질량-에너지 등가 관계로 질량은 응축된 에너지라고 말할 수 있음
- 양자 기술 발전에 전환점을 나타내는 기술들, 양자 기술 1.0
- 태양 전지 1890
- 전자 현미경 1931
- 더 나은 큐비트 제작을 위한 재료 연구에 활용
- 트랜지스터 1947
- 전자 터널링 같은 양자 효과를 피하도록 신중하게 설계됨. 고전 약학 체계에서 작동하는 양자 역학적 장치
- 원자시계 1955
- 2010년엔 기존 세슘 시계보다 더 정확한 양자 시계가 사용되기 시작함
- 레이저 1960
- 큐비트를 과냉각하는 데 사용됨
- 레이저 빔을 원자에 쏘면, 레이저 빔의 광자가 원자에 흡수됐다가 다시 방출되며 원자는 에너지를 잃고 냉각됨
- MRI 스캐너 1977
- 핵자기 공명 원리를 사용해 양자 상태를 조작하고 제어함
- 1961년 란다우어의 원리
- 비트를 설정, 초기화하는 정보를 조작하는 비가역적 작업은 열을 방출함
- 양자 컴퓨팅은 가역적인 연산만을 사용하기에 연구자들에게 피해야 할 방향을 제시함
- 1968년 스티븐 위스너의 양자 화폐 연구
- 초기 양자 오류 정정
- d-wave가 출시한 최초의 상업용 양자 컴퓨터는 양자 어닐러 방식
- 양자 어닐러는 최적화 문제만 처리하고 일반적인 문제는 다루지 못함
- 저자가 생각하는 세 가지 주요 과제
- 큐비트 수 증가
- 오류 정정의 표준화
- 전 세계적인 양자 컴퓨팅 이해도 향상
파트 2. 양자 컴퓨팅 옵션
- 양자 컴퓨팅은 조합 폭발 문제에 강점이 있음
- 조합 문제 최적화: 외판원 문제, 배낭 포장 문제, 배달 경로 설정, 물류 문제, 포트폴리오 최적화
- 선형 대수 문제: 행렬 수학 및 주성분 분석, dna 분류를 위한 염기서열 분석
- 인수 분해: rsa 컴퓨터 보안과 관련
- 미분 방정식: 유체 역학, 양자 입자 모델링, 차량 설계, 신약 개발 및 의학 연구에 필요한 분자 시뮬레이션
- 단백질 설계 개선, 펩타이드 설계 개선, 분자 간 유사성 검색, 임상 시험 최적화, 공급망 최적화, 경로 스케줄링, 교대 스케줄링, 재고 관리, 복잡한 제조 주기 최적화
- 양자 컴퓨팅의 이점을 얻으려면 양자 컴퓨터에 적합한 알고리즘을 찾거나 만들고, 문제를 양자 컴퓨터에 맞게 재구성해야함
- 양자 컴퓨터용 스택
- 큐비트 & 제어 하드웨어: 전통적인 컴퓨팅 전문가에게 양자 컴퓨팅이 아직 초기 단계임을 설명하려면, 큐비트 종류가 다섯 가지 이상이라는 점을 말하면 충분함. 초전도 큐비트, 이온 트랩, 광자 기술, 중성 원자, 퀀텀닷 등 다섯 가지 종류의 큐비트가 존재
- 오류 완화 펌웨어: 큐비트는 온도, 우주선, 자기장, 진동 등 환경적 요인에 따른 오류에 민감함. 펌웨어는 큐비트가 직면하는 환경적 영향을 관리하며 안정성을 높이고 오류를 줄임
- 오류 정정 계층: 현재 하드웨어와 소프트웨어를 결합할 수 있는 오류 정정 계층이 부족함. 이상적인 표준을 논리적 큐비트를 사용하는 것. 신뢰할 수 있는 논리적 큐비트 하나를 생성하는 데 여러 물리적 큐비트에 오류를 분산하는 방식.
- 하드웨어 인식 컴파일러: 양자 컴퓨팅에서는 각 큐비트와 제어 하드웨어 조합마다 고유한 기계어가 있으며 자주 바뀌고 있음. 컴파일러는 프로그래밍 명령에 필요한 하드웨어 단계를 최소화하여 결어긋남이나 오류 발생 전에 완료될 확률을 높임.
- 논리 계층 최적화 도구
- 알고리즘 기반 응용 프로그램
- quantum computing as a service와 sdk: 대부분의 사용자는 aws 브라켓, ibm 퀀텀, 스트레인지웍스 등이 클라우드 기반 양자 서비스Qaas를 이용함
- 양자 어닐링은 양자 컴퓨팅의 다른 유형으로 d-wave에서만 제공함
- 어닐러의 큐비트는 범용 양자 컴퓨터의 큐비트만큼 정교하지 않음
- 양자 어닐링은 범용 양자 컴퓨팅보다 성숙한 단계
- 특정 문제들은 항상 양자 어닐링에 적합하므로 유용한 도구로 가치가 있음
- 어닐링 로직은 설명이 쉽고 알고리즘 요소의 좋은 예시가 됨
- 양자 어닐러는 최적화 문제 해결에 뛰어나며 이차 비제약 이진 최적화 식으로 표현할 수 있는 모든 문제를 다룰 수 있음
- → d-wave는 양자 어닐러 방식이라 여기서 큐비트 개수가 5천개 넘었다고 하는건 ibm들의 범용 양자컴퓨터에서 큐비트 100개 넘었다고 했을 때 규모가 50배 큰게아니라 아예 비교 대상 자체가 다름
- 양자 컴퓨팅에 뛰어들 땐 목표를 정하는게 좋음
- 학습과 전략 수립
- 교육
- 기회 평가
- 프로젝트 작업
파트 3. 양자 컴퓨팅과 얽히기
- 양자 컴퓨팅의 힘
- 전통적인 컴퓨터가 2256개의 가능한 답이 있는 문제에서 하나의 답을 찾는 데 1초가 걸린다고 가정. 가능한 모든 답을 만들려면 2256번 문제를 풀어야 함
- 256개의 오류 정정 큐비트가 있는 양자 컴퓨터도 1초가 걸린다고 가정
- 양자 컴퓨터는 첫 번째 시도에서 2256개의 선택지 중 가능한 최고의 답을 1초만에 제시함
- → 고전 컴퓨터는 8비트의 모든 상태를 모두 나열하려면 일단 가능한 상태 28가지만큼의 8비트 = 총 8 * 28 = 2,048개의 비트가 필요함
- → 큐비트는 28가지의 모든 상태를 계산하기 위해 8개의 큐비트만 필요로 함
- 양자 컴퓨팅 논리 게이트의 기능을 이해하려면 허수의 더 깊은 의미, 행렬 수학에 대한 이해, 블로흐 구면의 정보에 입각한 사용법에 대한 성찰이 필요함
- 양자 근사 최적화 알고리즘QAOA, quantum approximate optimization algorithm 알고리즘은 논리 게이트 양자 컴퓨터로 매우 까다로운 문제를 해결하는 특별한 알고리즘
- 양자 근사 최적화 알고리즘을 이용해 이차 비제약 이진 최적화QUBO, quadratic unconstrained binary optimization 문제를 해결함. 한 단어씩 풀어서 보자면
- 최적화: 일련의 도시 간 최단 경로 찾기, 리소스 사용량 최소화, 비즈니스 수익 극대화 등 문제에 대한 최적의 해결책을 찾음
- 이진: 문제의 변수가 0, 1처럼 두 가지 값 중 하나만 가질 수 있음. e.g. 여행 일정에서 특정 도시를 포함할지 여부(포함: 1, 비포함: 0)
- 비제약: 가능한 솔루션에 제약이 없음. 즉 0과 1의 모든 조합이 허용됨. 반대로 '최소 3개 도시는 방문해야 함'같은 규칙은 제약 조건이 있는 것
- 이차: 문제를 풀기 위해 사용되는 수학 함수의 유형으로 변수의 제곱을 포함함. 함수가 이차 함수로 정의됨
- 다양한 응용 분야에 유용한 양자 컴퓨팅 알고리즘
- 암호화 분야
- 머신러닝 분야
- 양자 신경망을 사용한 양자 위상 추정(QPE-QNN) 알고리즘
- 양자 주성분 분석(PCA) 알고리즘
- 양자 서포트 벡터 머신(QSVM) 알고리즘
- 양자 k-평균 알고리즘
- 검색 및 최적화 분야
- 그로버 알고리즘
- 양자 위상 추정(QPE) 알고리즘
- 양자 푸리에 변환(QFT) 알고리즘
- 핼-하시딤-로이드(HHL) 알고리즘
- 양자 근사 최적화 알고리즘(QAOA)
- 변분 양자 고유값 해법(VQE) 알고리즘
- 양자 카운팅 알고리즘
- 양자 푸리에 샘플링 알고리즘
- 진폭 추정 알고리즘
- 양자 걸음 알고리즘
- 숨겨진 하위 그룹 문제(HSP) 알고리즘
- 양자 행렬 반전 알고리즘
- 비선형 함수의 양자 근사화(QANF) 알고리즘
- 양자 컴퓨팅에 기대하는 속도 향상
- 다항식 속도 향상: 전통적인 컴퓨터에게 O(n2) 시간이 필요하지만 양자 컴퓨터엔 O(n) 시간만 필요함. e.g. 그로버 검색 알고리즘
- 기하급수적인 속도 향상: 전통적인 컴퓨터가 O(2n) 시간이 걸리는 문제를 양자 컴퓨터는 O(n) 시간만에 품. e.g. 쇼어 알고리즘이 인수 분해에서 이런 속도 향상을 보여줌
- 쇼어 알고리즘에 대한 설명
- 그로버 알고리즘에 대한 설명
- 대표적 오해: 큐비트는 0과 1이 동시에 될 수 있다
- 큐비트는 실행 중 실수와 허수의 선형 조합 값을 나타내는 상태의 중첩에 있을 수 있음
- 이 중첩과 얽힘 덕분에 양자 컴퓨터는 병렬 연산을 수행할 수 있음
- 회로의 끝에서 측정하면 큐비트는 0 또는 1로 측정되는 하나의 상태로 붕괴함
- 오해를 더 정확히 풀어 표현해보자면
- 큐비트는 처음 측정할 때 0 또는 1이 나올 수 있는 값으로 초기화함
- 큐비트를 게이트라는 일련의 단계로 프로그래밍함
- 각 단계에서 측정하면 0 또는 1이 나옴
- 모든 게이트가 끝나면 큐비트를 측정해 최종적으로 0 또는 1을 얻음
책을 읽고
- 앞서 소개한 Google의 최첨단 양자(quantum) 칩, Willow, 구글 윌로우라는 물건 글의 의의를 좀 더 이해할 수 있게 됐다.
- 책을 읽으며 여러 궁금증이 들었는데 chatgpt와의 대화가 도움이 되었고, 책 내용을 rag로 넣을 수 있으면 더 좋았을텐데 아쉬웠다. 아래는 물어봤던 질문과 답변들
- 프로그램의 실행 결과가 실제 양자 컴퓨터를 통한 결과인지 아니면 전통적인 컴퓨터를 통한 결과인지 어떻게 알 수 있나?
- 결맞음 & 얽힘 상태에서 관측할 때 다른 입자의 상태가 결정된다는게 어떤 의의가 있는건지? 왜 성능을 증가시켜줄 수 있는건지?
- 107p 레이저로 큐비트를 과냉각 한다는데 레이저를 쏘면 에너지를 얻는게 아니라 어떻게 냉각이 되는건가?
- E=mc2이고 광자는 질량이 0이면 그럼 광자는 에너지가 0인가?
- 흑체 복사 문제(black body problem)는 왜 문제(problem)였나? 그냥 에너지가 방출된다에 대한 증명 그 이상인가?
- 134p 원래 업스핀 다운스핀이 50%, 50% 정해졌는데 관측을 안했을 뿐이지 이미 결정되어 있다는 개념 vs 관측순간 붕괴되어 결정된다 이 두 관점에 1. 차이가 있는건지? 2. 후자란걸 어떻게 증명하는지?
- 생성형 ai, llm의 흐름으로 단순 코드 구현 능력은 점점 덜 중요해지고 있다.
- 우리는 문제 해결 능력에 더 집중하는데 더 나아가 '무엇이 문제인가'를 정의하는 능력이 더 중요하겠단 생각이 든다.
- 인문학과 상상력, 사회에 대한 관심, 창의력에 기반한 문제 정의 능력을 기르자
- 최근 읽었던 『대체 뭐가 문제야』 책도 문득 떠오른다
- 더 많은 분야에 흥미를 갖고 바운더리를 넓히며 살아야겠다
더 읽어볼 거리
책에서 소개해준 사이트와 개인적으로 찾아보며 좋았던 자료를 소개한다.