양자역학을 여러 해 동안 강의한 물리학자인 역자에게 양자컴퓨팅에 대한 교재를 번역해달라는 부탁을 받은 후 많은 고민에 빠졌다. 그러나 결국 이 작업을 시작하게 된 이유는 몇 가지가 있다. 첫째, 양자컴퓨팅이 양자역학을 기반으로 하지만 양자역학은 양자컴퓨팅을 포함한 많은 다른 영역을 포함하고 있다. 한편 양자역학을 잘 알고 있다고 하더라도 양자컴퓨팅에 대한 책을 번역하는 것은 다른 문제이다. 하지만 교재를 읽어보니 이 책은 양자역학에 기반을 둔 설명을 많이 하고 있기 때문에 번역이 어렵지 않을 것 같았다(물론 번역을 하면서 이것은 전혀 잘못된 생각이라는 것을 확인할 수 있었다). 그래서 이 책을 번역하는 과정에서 역자 자신이 이해의 영역을 넓히고, 이를 기반으로 새로운 연구 분야를 찾겠다고 결심하고 번역 작업을 수락하였다. 둘째, 2025년 현재 양자컴퓨팅에 대한 연구는 매우 활발하고, 쓸모 있는 계산을 수행할 수 있는가에 대한 치열한 학문적 논의가 진행되고 있고, 학계에서도 이에 대한 교육을 심각하게 고려하고 있다. 그러나 양자컴퓨팅에 대한 적절한 교재가 많지 않고, 또 양자역학에 대한 사전지식과 양자컴퓨팅의 진입 방법이 교재마다 다르기 때문에 학생들이 어떻게 시작할지 고민할 것이라는 사실이 역자에게도 가슴 깊이 다가왔다. 본 교재는 정통적인 방법으로 양자컴퓨팅에 접근하고 있다. 이것은 양자역학의 기본적인 개념, 즉 중첩과 얽힘에 대한 물리적 논의로 시작하여 선형대수에 입각한 수식화를 완성하며, 이를 통해 양자게이트 및 양자알고리즘과 같이 다양한 양자컴퓨팅의 주제를 취급한다는 것을 의미한다. 역자는 시작하는 대학원생이나 3, 4학년 학부생이 이 책에서 양자컴퓨팅의 정수를 얻기 바란다. 또한 이 책은 3권으로 이루어진 시리즈 중 한 책으로 양자컴퓨팅의 주된 부분이다. 다른 책은 양자컴퓨팅을 공부하기 위한 수학적인 기초를 다룬다. 이것은 마치 공대에서는 공업수학, 물리학과에서는 수리물리학에 비유할 수 있다. 세 번째 책은 양자컴퓨팅의 응용과 첨단 분야를 다룬 것이다. 따라서 이 책으로부터 시작하여 독자는 양자컴퓨팅을 즐기고, 이 기괴하고 흥미로운 분야에 푹 빠지기를 권한다. 2025년 7월 최 준곤

수준 지표 표시되지 않는 내용: 양자컴퓨팅의 초보자를 포함한 모든 독자에게 적절한 기초적인 내용. ?: 전형적으로 일반 독자에게 접근가능한 처음의 개념적 요약이고, 이후 학부 4학년생이나 선형대수 배경이 있는 초기 대학원 수준의 독자를 위한 많은 수학을 사용하는 부분이 따라온다. 표시되지 않는 내용에 친숙하다고 가정한다. ?: 수준의 주제를 넘어 확장한 고급 탐구. I 큐빗과 큐딧: 기초 CHAPTER 1 광자를 통한 양자역학 1.1 양자역학 개요 4 1.2 광자의 이해 6 1.3 양자상태 가설 10 1.4 양자 관측량 가설 18 1.5 양자 측정가설 24 1.6 불확정성 원리 34 1.7 ?양자역학에 대한 참고도서 36 1.8 주제 복습 37 1.9 요약 및 결론 40 문제 1 41 CHAPTER 2 스핀계의 기초 2.1 스핀, 각운동량과 자기모멘트 44 2.2 스핀-1/2 상태와 Pauli 행렬 45 2.3 일반적인 스핀 상태 표현 48 2.4 Bloch 구 51 2.5 스핀 측정 54 2.6 요약 및 결론 57 문제 2 58 CHAPTER 3 큐빗과 큐딧의 구조 3.1 물리 큐빗계 60 3.2 큐빗과 큐딧 상태 61 3.3 기준변환 65 3.4 ?양자측정의 일반적인 수식화 72 3.5 ?양자상태 단층 촬영술의 응용 81 3.6 요약 및 결론 82 문제 3 84 CHAPTER 4 양자계의 동역학 4.1 양자역학의 시간 변화 가설 88 4.2 ?슈뢰딩거 방정식 89 4.3 에너지 고유상태의 정상적 성질 93 4.4 범용 양자컴퓨팅과 직접 시뮬레이션 96 4.5 ?Larmor 세차운동과 Rabi 진동 100 4.6 ?추가적인 응용 106 4.7 ?미루었던 증명 108 4.8 요약 및 결론 110 문제 4 111 II 양자게이트 & 기본 회로 CHAPTER 5 단일 큐빗 양자게이트 5.1 양자와 고전 논리 게이트 116 5.2 보통의 단일-큐빗 게이트 119 5.3 게이트 시퀀스에서 양자회로로 128 5.4 양자 난수 생성기 132 5.5 BB84 양자키분포(QKD) 프로토콜 133 5.6 양자 동전 게임 140 5.7 ?복제 불가능 정리: 증명의 개요 143 5.8 요약 및 결론 144 문제 5 145 CHAPTER 6 다중큐빗계 6.1 2 큐빗계 148 6.2 ?2-큐빗계의 측정 152 6.3 다중큐빗계 상태 161 6.4 ?다중큐빗계의 측정 167 6.5 ?다중 큐빗 상태의 시간 변화 173 6.6 요약 및 결론 177 문제 6 178 CHAPTER 7 다중큐빗 양자게이트 7.1 많이 사용하는 다중큐빗 게이트 182 7.2 큐빗 게이트의 범용 집합 191 7.3 양자 게이트의 Boole 표현 194 7.4 동등한 게이트 시퀀스 199 7.5 ?탐구 주제 208 7.6 요약 및 결론 210 문제 7 211 III 양자 얽힘 CHAPTER 8 Bell 상태 8.1 최대 얽힘 상태 218 8.2 ?Bell 기준 220 8.3 Bell 상태 생성 222 8.4 Bell 측정 225 8.5 Bell 상태 전환 227 8.6 ?미뤄두었던 증명 229 8.7 ?일반화: GHZ 상태 230 8.8 요약 및 결론 230 문제 8 231 CHAPTER 9 얽힘과 Bell 부등식 9.1 고전적인 상관관계와 양자얽힘 236 9.2 EPR 모순 239 9.3 Bell 부등식 241 9.4 고전적인 상관관계가 있는 Bell-CHSH 부등식 243 9.5 양자얽힘이 있는 Bell-CHSH 부등식 245 9.6 실험적 확인 248 9.7 비통신 정리 252 9.8 ?Bell 상태에 대한 Bell-CHSH 양의 유도 253 9.9 ?심층 탐구 258 9.10 요약 및 결론 260 문제 9 261 CHAPTER 10 얽힘의 주요 응용 10.1 사전 검토 267 10.2 초고밀도 코딩 269 10.3 양자 순간이동 272 10.4 얽힘 교환 283 10.5 양자 게이트 순간이동 288 10.6 E91 양자 키 분포 프로토콜 301 10.7 요약 및 결론 306 문제 10 307 IV 양자계산과 정보 CHAPTER 11 양자알고리즘: 샘플 모음 11.1 Deutsch-Jozsa 알고리즘 315 11.2 QUBO, VQE, QAOA와 AQC 325 11.3 양자 폭탄과 양자 화폐 344 11.4 요약 및 결론 359 문제 11 360 CHAPTER 12 밀도연산자와 양자 채널 12.1 혼합 상태와 밀도연산자 366 12.2 Bloch 구에서 일반적인 단일 큐빗 상태 375 12.3 밀도연산자에 의한 측정 378 12.4 양자 채널과 CPTP 변환 385 12.5 부분 대각합과 축소 밀도연산자 397 12.6 비방송 정리와 비통신 정리 403 12.7 요약과 결론 407 문제 12 408 CHAPTER 13 양자 오류 수정: 기본 입문 13.1 예비 개념 412 13.2 양자컴퓨팅의 오류 구조 418 13.3 오류 수정 코드 소개 443 13.4 요약 및 결론 464 문제 13 465 CHAPTER 14 양자정보의 기초 14.1 양자 확률 기초 469 14.2 양자 엔트로피와 정보 490 14.3 ?양자 정보의 핵심 정리 505 14.4 심화 탐구 512 14.5 요약 및 결론 515 문제 14 516 V 보조 자료 핵심적인 수학: 빠른 참고 A 복소수 523 B 삼각함수 524 C QCI에 대한 선형대수 526 D Pauli 행렬 533 참고문헌 | 536 찾아보기 | 543