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책소개

양자컴퓨터가 초고속 계산을 구현하는 원리를 이해한다.
고전 컴퓨터와 비교하며 양자비트, 양자 게이트, 양자 알고리즘 등을 설명한다.

물리학 전문가가 아닌 분들이 양자컴퓨터를 접하는 첫 단계에서 양자컴퓨터에 대한 전반적인 지식을 망라할 수 있도록 구성했다. 비전문가도 이해하기 쉽게 전문 용어나 전문 지식이 전혀 필요 없어도 읽을 수 있는 책을 목표로 했다. 그림 설명을 곁들여 이해하기 쉽도록 구성하였고, 작동 구조를 연상시키는 데 도움이 될 것이다. 또한, 양자컴퓨터 관련 뉴스를 읽고 이해되지 않을 때 참고할 수 있도록 했다. 그래서 양자컴퓨터와 직접 관계는 없지만, 연관된 키워드도 같이 실었다. 부록으로 [그림과 수식으로 이해하는 양자컴퓨터의 구조]를 PDF 파일로 제공한다. 일반 엔지니어들이 전문서적, 논문을 읽기 전의 가이드 맵 역할을 해줄 것이다.

저자소개

1987.10 사이타마 현 출생, 2003.4 ~ 2006.3 사이타마 현립 마쓰야마 고등학교 이과, 2006.4 도쿄공업대학 제5류 입학, 2007.10 ~ 2008. 9 개그맨이 되기 위해 휴학했으나 좌절, 2011.9 도쿄공업대학 공학부 전기전자공학과 졸업, 2013.3 도쿄공업대학 대학원 종합이공학 연구과, (야마구치 마사히로 연구실) 졸업
2013.4 주식회사 히타치제작소 입사, 2019.3 현재 연구개발 그룹에 소속, 2018.4 와세다대학 대학원 이공학술원 선진이공학연구과, (아오키 타카오 연구실) 입학(사회인 박사과정), 도쿄공업대학 대학원에서는 홀로그래픽 디스플레이 등의 광정보공학을 연구하고, 회사에서는 광학 기술 연구 개발에 종사하고 있다. 대학시절부터 양자컴퓨터에 흥미가 있어, 현재 매월 도내에서 “양자 정보 스터디 모임”을 주최한다.

목차

제1장 양자컴퓨터 입문
1.1 양자컴퓨터가 뭐지?
1.1.1 계산이란 무엇인가?
1.1.2 컴퓨터의 한계
1.1.3 양자컴퓨터란 무엇인가?
1.1.4 양자컴퓨터와 고전컴퓨터
1.1.5 양자컴퓨터의 종류
1.1.6 양자 계산 모델의 종류

1.2 양자컴퓨터의 기본
1.2.1 양자컴퓨터 동작의 흐름
1.2.2 양자컴퓨터 개발 로드맵
1.2.3 노이만형에서 비노이만형 컴퓨터로
1.2.4 비고전컴퓨터
1.2.5 비만능 양자컴퓨터
1.2.6 NISQ(니스크)
1.2.7 만능 양자컴퓨터

1.3 양자컴퓨터의 미래상
1.3.1 양자컴퓨터의 현재
1.3.2 양자컴퓨터 사용 방식
1.3.3 미래의 계산기 환경


제2장 양자컴퓨터에 거는 기대
2.1 고전컴퓨터가 어려워하는 문자란?
2.1.1 다항식 시간에서 풀 수 있는 문제
2.1.2 다항식 시간에서 해법이 알려지지 않은 문제

2.2 양자컴퓨터가 활약하는 문제란?
2.2.1 양자컴퓨터가 활약하는 문제
2.2.2 가까운 미래에 기대되는 효과

2.3 양자컴퓨터가 주목을 받게 된 배경


제3장 양자비트
3.1 고전비트와 양자비트
3.1.1 고전컴퓨터의 정보 최소단위 ‘고전비트’
3.1.2 양자컴퓨터의 정보 최소단위 ‘양자비트’
3.1.3 중첩 상태 표시법
3.1.4 양자비트의 측정
3.1.5 화살표의 사영과 측정 확률

3.2 양자역학과 양자비트
3.2.1 고전물리학과 양자물리학
3.2.2 고전계산과 양자 계산
3.2.3 양자역학의 시작 : 전자와 빛
3.2.4 파동성과 입자성
3.2.5 양자비트의 파동과 입자의 성질
3.2.6 양자비트의 측정 확률

3.3 양자비트 표기법
3.3.1 양자 상태를 나타내는 기호(브라켓 기호)
3.3.2 양자 상태를 나타내는 그림(블로흐 구)
3.3.3 양자비트를 파동으로 나타낸다
3.3.4 복수양자비트 표현법
3.3.5 정리


제4장 양자 게이트 입문
4.1 양자 게이트란?
4.1.1 고전 컴퓨터 : 논리 게이트
4.1.2 양자컴퓨터 : 양자 게이트
4.1.3 단일 양자비트 게이트
4.1.4 다중 양자비트 게이트

4.2 양자 게이트의 작용
4.2.1 X 게이트(비트 플립 게이트)
4.2.2 Z 게이트(위상 플립 게이트)
4.2.3 H 게이트(아다마르 게이트)
4.2.4 2 양자비트에 작용하는 CNOT 게이트
4.2.5 H 게이트와 CNOT 게이트를 이용한 양자얽힘 상태 생성
4.2.6 측정(계산기저에 의한 측정)
4.2.7 양자얽힘 상태의 성질

4.3 양자 게이트의 조합
4.3.1 SWAP 회로
4.3.2 덧셈 회로
4.3.3 덧셈 회로에 의한 병렬 계산
4.3.4 가역 계산


제5장 양자 회로 입문
5.1 양자 텔레포테이션
5.1.1 상황 설정
5.1.2 양자 얽힘 상태의 2 양자비트
5.1.3 양자 텔레포테이션
5.1.4 양자 회로에 의한 표현
5.1.5 양자 텔레포테이션의 특징

5.2 고속 계산의 원리
5.2.1 파동의 간섭
5.2.2 동시에 모든 상태를 가진다 : 중첩 상태
5.2.3 확률진폭의 증폭과 결과 측정
5.2.4 양자컴퓨터에 의한 고속 계산의 예 : 숨은 주기성의 발견
5.2.5 양자 얽힘 상태
5.2.6 정리


제6장 양자 알고리즘 입문
6.1 양자 알고리즘의 현재

6.2 그로버 알고리즘
6.2.1 개요
6.2.2 양자 회로

6.3 쇼어 알고리즘
6.3.1 개요
6.3.2 계산 방법

6.4 양자고전 하이브리드 알고리즘
6.4.1 양자화학계산
6.4.2 VQE(Variational Quantum Eigensolver)
6.5 양자컴퓨터를 둘러싼 시스템


제7장 양자 어닐링
7.1 이징 모델
7.1.1 스핀과 양자비트
7.1.2 이징 모델의 상호작용
7.1.3 불안정한 상태, 프러스트레이션
7.1.4 이징 모델의 에너지
7.1.5 이징 모델의 기저상태를 발견하는 문제

7.2 조합최적화 문제와 양자 어닐링
7.2.1 조합최적화 문제란?
7.2.2 조합최적화로서의 이징 모델
7.2.3 조합최적화 문제의 프레임
7.2.4 조합최적화 문제의 해법

7.3 시뮬레이티드 어닐링
7.3.1 이징 모델의 기저상태 탐색
7.3.2 에너지 랜드스케이프
7.3.3 경사 하강법과 로컬 미니멈
7.3.4 시뮬레이티드 어닐링

7.4 양자 어닐링
7.4.1 양자 어닐링의 자리매김
7.4.2 양자 어닐링 계산 방법 1 : 초기화
7.4.3 양자 어닐링 계산 방법 2 : 어닐링 연산
7.4.4 에너지의 벽을 빠져나간다
7.4.5 양자 어닐링이 1억 배나 빠를까?
7.4.6 양자 어닐링의 실제


제8장 양자비트 만드는 법
8.1 양자컴퓨터의 성능 지표

8.2 양자비트의 구현 방식

8.3 초전도 회로
8.3.1 초전도 회로에 의한 양자비트 구현
8.3.2 조셉슨 접합
8.3.3 트랜스몬과 자속 양자비트
8.3.4 NISQ에 의한 양자 우위 실증

8.4 이온 트랩 / 냉각 원자
8.4.1 이온 트랩에 의한 양자비트
8.4.2 냉각 중성원자에 의한 양자비트

8.5 반도체 양자점

8.6 다이아몬드 NV 센터

8.7 빛을 이용한 양자비트
8.7.1 광자를 이용한 양자 계산
8.7.2 연속량을 이용한 양자 계산

8.8 토폴로지컬 초전도체


Column
양자컴퓨터 탄생에 이르는 여정
계산량 이론
양자 에러 정정
양자 계산의 만능성이란
양자역학에서의 측정의 불가사의
양자 회로 모델 이외의 양자 계산 모델
양자 어닐러 이외의 어닐러
순수상태와 혼합상태
양자컴퓨터의 계산 방법 정리