◎ 책 소개

전 세계는 양자 기술을 미래 성장의 핵심 인프라로 인식하고 치열한 기술·산업 경쟁에 돌입했다. 한국 정부 역시 2035년까지 ‘양자경제 선도국’으로 도약하겠다는 퀀텀 이니셔티브를 발표하며 전략적 R&D, 인재 양성, 양자 소부장, 글로벌 협력 등 10대 추진 과제를 제시했다. 이처럼 급격한 기술 패러다임 전환의 한가운데서, 양자 기술을 국가·산업·과학적 관점에서 종합적으로 조망하는 콘텐츠가 최종현학술원의 기획으로 출간되었다.

《양자컴퓨팅 혁명》은 최종현학술원이 진행해온 ‘과학기술혁신 시리즈’ 강연 중 양자컴퓨팅 분야를 재구성한 결과물로, 양자컴퓨터 연구 최전선의 전문가들이 실제 강연과 토론에서 다룬 내용을 기반으로 집필됐다.

따라서 단순 설명서를 넘어, 한국이 지금 무엇을 주목해야 하고 어디에 투자해야 하는지 방향성을 제시하는 공적인 지식 자료라는 점에서 출간 의의가 크다.

《양자컴퓨팅 혁명》의 무게감은 무엇보다 저자로부터 나온다. 듀크대학교 전기컴퓨터공학·물리학 교수이자 세계 최초 양자컴퓨팅 상장기업인 아이온큐(IonQ)의 공동창립자인 김정상 교수가 1장과 2장을 집필하여 양자컴퓨팅의 기술적 원리부터 산업 전망, 네트워크 적용 가능성까지 전체 청사진을 제시한다.

3장을 집필한 성균관대 양자정보공학·나노공학과 교수이자 양자정보연구지원센터장인 정연욱 교수는 초전도 큐비트·냉각시스템·칩 제조공정 등 양자 하드웨어 전 분야를 다루는 국내 최고 전문가로서 한국표준과학연구원(KRISS)과 미국 국립표준기술연구소(NIST Boulder) 경험을 바탕으로, 한국의 양자팹(QFab) 제조 인프라 구축에도 핵심적 역할을 수행하고 있다.

한국표준과학연구원 초연결확장형슈퍼양자컴퓨팅 전략연구단 단장‧국가특임연구원과 미래양자융합포럼 공동의장인 김재완 박사는 양자·나노·디지털 정보의 경계를 잇는 탐구를 수행하며, 4장을 통해 양자혁명 전체의 의미를 직관적으로 설명한다. 특히 양자 중첩·편광 실험을 대중적 언어로 풀어내는 능력이 뛰어나, ‘양자세계의 본질’을 쉽게 이해하도록 돕는다.

◎ 차례

축사

발간사

1장 양자컴퓨터와 첨단 기술의 미래 - 김정상

2장 양자컴퓨터로 구현하는 차세대 통신 네트워크 - 김정상

3장 초전도 소자 기술로 구현하는 양자컴퓨터 - 정연욱

4장 양자! 나노와 디지털을 넘어… - 김재완

5장 양자컴퓨팅 연구개발과 산업 전략에 대한 토론 

- 대담 김정상·정연욱·김준기 사회 현택환·안정호

그림 표 출처

◎ 책 속으로

고전컴퓨터에서 정보의 기본 단위는 비트bit입니다. 0과 1로 구분해서 한 가지 상태만 표현한다는 전제하에 정보 처리가 이뤄지죠. 양자컴퓨터에는 양자 비트quantum bit 또는 큐비트qubit라 불리는 정보 단위가 있는데, 큐비트는 고전 비트와 구별되는 두 가지 특징이 있습니다.

-14쪽

우리는 고전물리학이 지배하는 세계에 익숙한 만큼 중첩과 얽힘 현상을 직관적으로 이해하기가 매우 힘듭니다. 하지만 일단 양자 현상을 자연법칙으로 받아들이면, 정보 처리 기술과 관련해 굉장히 큰 가능성이 열립니다. 그중 가장 핵심적인 기술이 병렬 처리parallel processing인데, 중첩과 얽힘을 이용하면 엄청난 경우의 수를 동시에 고려할 수 있습니다. 세 개의 비트로 이뤄진 레지스터register를 예로 들면, 고전적으로는 어느 한순간에 000부터 111까지 여덟 가지 상태 중에 한 가지만 존재할 수 있습니다. 하지만 양자컴퓨터에서는 큐비트가 세 개 있으면 여덟 가지 경우의 수를 동시에 표현하고 저장하고 처리할 수 있죠.

-17-18쪽 

이제 앨리스는 자신에게 남은 고전 비트 두 개를 전화나 이메일 같은 고전적인 경로로 밥에게 보냅니다(그림 2-3B). 고전 비트에 담긴 상태 정보는 밥의 큐비트와 얽힌 상태로 벨 측정을 받은 후 양자 중첩이 붕괴되어 결정된 값이기 때문에, 밥의 큐비트가 가진 상태 정보와 상관관계가 있습니다. 또한 밥은 찰리가 원래 갖고 있던 큐비트의 양자 중첩 상태를 재현할 수 있는 지침도 지니고 있죠. 밥은 이 지침에 따라 고전 비트 두 개를 이용해 찰리가 갖고 있던 큐비트를 재현해냅니다(그림 2-3C). 이렇게 서울에 있던 찰리의 큐비트가 부산에 나타납니다. 이렇듯, 완전히 비공개 상태의 정보도 원격전송이 가능합니다. 이런 현상은 우리에게 익숙한 고전물리학으로는 설명이 불가하지만, 양자역학의 세계에서는 가능합니다. 얽힘을 통한 원격전송, 양자역학의 초능력 같은 것이죠.

-60쪽 

지금까지 설명한 것처럼 양자 인터넷을 실현하기 위해서는 기술적으로 여러 요소가 뒷받침되어야 합니다. 그중 가장 많이 발전한 부분은 양자 인터페이스라고 할 수 있습니다. 네트워크의 기본이 되는 양자 메모리를 구현하고, 광자를 통해 큐비트 정보를 안정적으로 전달하며, 광자의 파장을 장거리 통신에 적합한 상태로 변환하는 기술 모두 실험적으로 입증됐죠. 하지만 양자 메모리를 떠난 광자가 손실 없이 멀리 이동할 수 있게끔 지원하는 광학 장치 개발은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 복잡한 통신망에서 정보의 흐름을 효율적으로 분배하고 관리하는 기술 또한 앞으로 개발해야 할 필수 요소죠.

-71쪽 

중첩 현상 덕분에 큐비트를 활용하면 방대한 연산 공간을 얻을 수 있습니다. 큐비트 수가 증가하면 그에 따라 양자컴퓨터의 연산 공간도 지수적으로 늘어납니다. 예를 들어, 큐비트 10개로는 210(1,024)개 조합을, 큐비트 50개로는 250(약 1.13경)개 조합을 동시에 고려할 수 있죠. 그리고 큐비트 300개로는 우주 전체에 존재하는 원자 수보다 많은 2300개 조합을 동시에 처리할 수 있습니다. 고전컴퓨터로도 비트 N개로 2N개 조합을 만들 수 있지만, 한 번에 처리할 수 있는 연산은 단 하나뿐입니다. 그래서 고전컴퓨터에서는 비트 수에 비례하여 연산 공간이 선형적으로 증가한다고 표현합니다. 2N개 조합을 차례대로 처리하는 게 아니라 동시에 처리한다는 점이 고전컴퓨터와 다른 양자컴퓨터의 강점입니다.

-81쪽 

사실 작동 주파수가 외부 변화에 민감하다는 특징은 초전도 큐비트의 장점이자 단점입니다. 큐비트 간의 얽힘을 구현하고 상호작용을 제어하는 데는 유리하게 작용하지만, 외부 자기장이나 전기적 잡음에 의해 원치 않는 주파수 변화가 일어날 위험도 내포하고 있기 때문이죠. 구글과 IBM은 주파수 조정으로 큐비트 간 얽힘을 구현하는 전략을 취하고 있습니다. IBM은 과거에는 주파수 조정 없이 얽힘을 구현하는 교차공명cross-resonance 방식을 꾸준히 활용했는데, 1~2년 전부터는 하드웨어 구조를 조금씩 바꾸면서 구글과 마찬가지로 주파수를 조정하는 쪽으로 전환하고 있습니다.

-95쪽 

한국은 특히 양자 제조 분야에서 잠재력이 큽니다. 양자 하드웨어를 만들기 위해서는 기존의 반도체 기술이 필요한데, 한국은 세계 최고 수준의 반도체 제조 기술을 갖추었기 때문입니다. 활용할 수 있는 제조 인프라가 많다는 것은 분명히 큰 이점이죠. 다만 반도체 산업이 지나치게 성숙한 상태라, 아직 초기 단계인 양자 산업계는 오히려 아쉬운 입장입니다. 예를 들어, 양자 소자 제조에는 보통 2~4인치 소형 웨이퍼가 필요한데, 이는 집적도가 낮았던 과거 반도체 공정에서 사용하던 규격입니다. 국내 반도체 공정은 대부분 8인치 이상의 대형 웨이퍼에 맞춰져 있어서, 2~4인치 웨이퍼를 다룰 수 있는 제조 시설은 현재 찾아보기 힘듭니다.

-108쪽

양자물리학은 통신 보안과 ‘병 주고 약 주는’ 관계입니다. 우선 ‘병을 주는’ 이유는 양자컴퓨터가 기존 암호 체계를 무력하게 만들 수 있기 때문입니다. 현재 인터넷이나 금융 거래 등에 쓰이는 암호 체계는 매우 큰 자연수를 소인수분해하기가 어렵다는 사실을 기반으로 합니다. 그러나 어렵다는 것은 상대적인 개념입니다. 같은 수학 문제라도 연산 도구와 방식에 따라 난이도는 달라질 수 있죠. 1994년 피터 쇼어는 양자 알고리듬을 활용하면 고전컴퓨터가 현실적인 시간 안에 풀 수 없는 소인수분해 문제를 빨리 해결할 수 있음을 이론적으로 증명했습니다. 이를 계기로, 양자컴퓨터의 공격에도 견딜 수 있는 이른바 양자 내성 암호 혹은 PQCpost-quantum cryptography를 개발하려는 움직임이 본격화되었습니다.

-135쪽

◎ 출판사 제공 책 소개

다음 10년, 양자를 선점한 나라만 경제·안보·AI의 규칙을 다시 쓴다.

이 책은 그 룰 북의 첫 페이지다!

왜 지금 ‘양자컴퓨팅’인가

전 세계적으로 양자 기술은 아직 초기 단계이지만, 각국 정부와 기업이 국가 전략기술로 집중 투자하며 빠르게 성장하고 있는 분야다. 한국도 ‘퀀텀 이니셔티브’를 발표해 2035년까지 양자경제 선도국으로 도약하겠다는 목표를 명확히 하고 있으며, 연구·산업·인재 양성에 대한 국가적 관심이 높아지고 있다.

《양자컴퓨팅 혁명》은 이러한 흐름 속에서 양자컴퓨팅을 과학·산업·사회적 관점으로 종합적으로 이해할 수 있는 최초의 국내형 교양서다. 전문가들이 강연과 대담을 통해 최신 연구와 현실적 가능성을 설명함으로써, 양자 기술을 먼 미래가 아닌 ‘지금 당장 준비해야 할 다음 기술 패러다임’으로 이해하도록 돕는다.

1장 양자컴퓨터와 첨단 기술의 미래는 듀크대학교 전기컴퓨터공학·물리학 교수이자 세계 최초 양자컴퓨팅 상장기업인 아이온큐(IonQ)의 공동창립자인 김정상 교수가 집필했다. 양자컴퓨팅은 중첩과 얽힘 같은 양자 특성을 이용해 기존 디지털 컴퓨터가 해결하기 어려운 문제를 다루는 새로운 계산 방식이다. 과학자들에게도 여전히 불가능의 영역에 가까운 도전이지만, 신약개발·신소재·금융 최적화 등 특정 영역에서 기존 컴퓨터를 능가할 가능성이 입증되고 있다. 양자컴퓨팅은 물리학·전기공학·컴퓨터과학의 융합이 요구되는 융합 기술이며, 전체 산업 생태계 전반에 변화를 가져올 차세대 핵심 도구다.

2장 양자컴퓨터로 구현하는 차세대 통신 네트워크 역시 김정상 교수가 집필했다. 양자 원격전송·얽힘 교환 등은 큐비트의 상태를 멀리 떨어진 곳에 그대로 재현할 수 있는 기술이다. 이를 통해 도청이나 복제가 불가능한 초보안 통신망, 즉 양자 인터넷의 기반이 마련된다. 미래에는 도시권 통신망, 데이터센터, 개인·기업 사용자 모두가 양자 라우터로 연결된 새로운 네트워크 구조가 등장할 것으로 전망된다.

3장 초전도 소자 기술로 구현하는 양자컴퓨터는 성균관대 양자정보공학·나노공학과 교수이자 양자정보연구지원센터장인 정연욱 교수가 집필했다. 양자컴퓨팅 기술 중 가장 현실화가 빠른 초전도 큐비트 기술을 중심으로 양자컴퓨터 하드웨어 구조를 설명한다. 한국은 양자팹(QFab) 같은 제조 인프라를 갖추고 있어 설계 파일을 전달하면 1~2개월 내 칩 제작이 가능할 정도로 기반이 빠르게 갖춰지고 있다. 가장 큰 문제는 전문 인력 부족이지만, 반도체 제조 경험자가 양자 소자로 빠르게 전환할 수 있어 성장 잠재력이 크다고 분석한다.

4장 양자! 나노와 디지털을 넘어…는 한국표준과학연구원 초연결확장형슈퍼양자컴퓨팅 전략연구단 단장‧국가특임연구원과 미래양자융합포럼 공동의장인 김재완 박사가 집필했다. 양자혁명은 단순한 계산 기술의 발전을 넘어서, 나노 물리·디지털 정보 이론을 통합하는 ‘2차 양자혁명’ 시대로 이어지고 있다. 빛의 편광 실험을 통한 중첩 비유(여러 검문소를 동시에 통과하는 빛)는 양자 정보가 디지털과 본질적으로 다른 방식으로 세계를 기술한다는 점을 시각적으로 설명한다. 이는 양자컴퓨터뿐 아니라 센서·이미징·계측·보안 등 다양한 기술로 확장되는 범용적 과학혁명임을 강조한다.

5장 양자컴퓨팅 연구개발과 산업 전략에 대한 토론에서는 서울대학교 화학생명공학부 석좌교수이자 최종현학술원 이사인 현택환 교수와 서울대학교 융합과학기술대학원 교수이자 최종현학술원 이사인 안정호 교수의 사회로 김정상 교수, 정연욱 교수, 성균관대학교 양자정보공학과‧나노공학과 김준기 교수의 대담을 실어 양자컴퓨팅에 관한 이론적인 내용부터 산업적인 의미까지 보다 폭넓은 이야기를 담았다.

양자컴퓨팅, 한국 사회를 위한 의미

양자 기술은 국가 경쟁력, 안보, 산업 구조 재편과 직결되는 기술이며, 단순한 미래 기술이 아니라 지금부터 인재·산업·기초과학의 모든 면에서 준비가 필요한 분야다.

특히 한국은 반도체·통신·제조 역량이 높아 양자 혁명에서 뒤쳐질 이유가 없지만, 대중의 이해와 전문가 생태계 구축은 이제 막 시작되는 단계다.

《양자컴퓨팅 혁명》은 이러한 간극을 좁히기 위해 만들어진, 최전선 연구자들의 강연·대담을 집대성한 입문서로서 의미가 있다. 복잡한 양자 개념을 실제 기술·산업·정책 논의와 연결해 설명함으로써, 한국 사회가 다가오는 양자 시대를 이해하고 준비하는 데 중요한 출발점을 제공한다.