[목 차]
추천사
천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며
양자 세계의 문이 열리다 _ 도이치 박사가 말하는 차일링거의 양자정보 혁명(깜짝 인터뷰)
첫 번째 만남 _ 고전 정보이론과 컴퓨터의 탄생
정보는 어떻게 시작되었는가 _ 문자에서 암호까지, 인류의 정보혁명
암호를 푼 철학자, 알 킨디 _ 빈도 분석의 시작과 정보과학의 태동
0과 1로 보는 세상 _ 주역이 라이프니츠에게 가르쳐준 디지털의 뿌리
기계로 계산하다 _ 쉬카르드에서 라이프니츠까지, 계산기의 탄생과 진화
컴퓨터의 아버지, 찰스 배비지 _ 차분기관과 분석 엔진의 탄생
0과 1의 논리, 불대수의 세계 _ 조지 불과 디지털 논리의 기초
논리를 기호로 바꾼 사람, 드모르간 _ 드모르간의 법칙과 현대 논리학
엘런 튜링, 0과 1로 세상을 바꾸다 _ 컴퓨터를 꿈꾼 수학자와 디지털 혁명
튜링의 상상, 컴퓨터가 되다 _ 간단한 장치가 만든 복잡한 계산의 세계
컴퓨터는 어떻게 진화했는가 _ 전쟁, 과학, 그리고 인간의 상상력
두 번째 만남 _ 디지털 혁명의 뿌리를 찾아서
0과 1의 문을 연 찰스 피어스 _ 디지털 시대를 연 기호 논리의 창시자
기계로 생각하고, 놀이로 미래를 설계하다 _ 섀넌이 만든 디지털 우주
엔트로피, 정보의 얼굴을 바꾸다 _ 섀넌이 밝혀낸 불확실성의 의미
세 번째 만남 _ 큐비트로 여는 양자알고리즘의 세계
양자정보, 중첩에서 시작되다 _ 파동함수와 고유상태의 언어
상자 속 고양이의 운명 _ 슈뢰딩거 실험으로 본 양자의 세계
큐비트, 보이지 않는 정보의 가능성 _ 0과 1의 중첩과 붕괴
큐비트를 조작하는 기술, 양자게이트 _ 유니터리 행렬과 선형 변환
아다마르 게이트의 수학 _ 프랑스 수학자가 만든 양자연산의 기초
텐서곱이란 무엇인가 _ 두 큐비트를 하나의 상태로 묘사하다
복제할 수 없는 정보 _ 큐비트와 양자 복제금지 정리
네 번째 만남 _ 양자역학, 논쟁에서 실험으로
아인슈타인과 보어의 양자 논쟁 _ 양자역학은 완전한가
EPR 패러독스, 양자역학을 흔든 질문 _ 얽힘인가, 유령의 작용인가
벨 부등식의 도전 _ 얽힘인가, 숨은 변수인가
실험으로 드러난 양자 얽힘 _ 존 클라우저가 이끈 양자정보의 시대
빛보다 빠른 정보는 가능한가 _ 아스페 실험과 벨 부등식의 극복
다섯 번째 만남 _ 양자정보 시대의 개막
양자의 언어로 진리를 묻다 _ 양자세계를 설계한 안톤 차일링거
순간이동은 가능하다 _ 양자순간이동, 얽힘 스와핑과 미래의 통신
양자 얽힘의 스위치, CNOT 게이트 _ 제어 비트, 타깃 비트와 양자 논리
얽힘은 어떻게 생기는가 _ 아다마르 게이트와 양자 얽힘의 원리
보낼 수 없는 것을 보내는 법 _ CNOT와 얽힘이 만들어낸 양자순간이동
암호의 진화 _ 고대 암호부터 양자암호까지, 정보보안 2,500년의 여정
뚫리는 암호, 감지하는 센서 _ 양자보안과 초정밀 감지 시스템
여섯 번째 만남 _ 양자알고리즘과 양자컴퓨터
양자알고리즘의 탄생 _ 현실의 구조를 바꾼 도이치–요자 이론과 실험
양자의 두 날개 _ 쇼어 알고리즘, 그로버 알고리즘의 작동 원리와 영향력
도이치 알고리즘 _ 오라클 머신과 불함수로 여는 새로운 계산의 세계
양자컴퓨터, 계산의 한계를 넘다 _ 시커모어에서 IBM 이글까지
만남에 덧붙여
Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?_1935년 아인슈타인-포돌스키-로젠 논문 영문본
On the Einstein Podolsky Rosen Paradox_1964년 벨 논문 영문본
Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities _1982년 아스펙 그룹 논문 영문본
Experimental Quantum Teleportation_1997년 차일링거 그룹 논문 영문본
위대한 논문과의 만남을 마무리하며
이 책을 위해 참고한 책과 논문들
수식에 사용하는 그리스 문자
노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다
[본 문]
저자는 본격적으로 양자 알고리즘과 양자컴퓨터에 관한 이야기를 소개합니다. 양자순간이동이 양자 얽힘과 어떻게 연관되는지, 그리고 실제 통신이나 위성에서 활용할 수 있음을 밝혀낸 실험을 설명하고 있습니다. _ 본문 13쪽
이전 실험들, 예를 들어 클라우저나 프리드먼의 실험은 ‘국소성’과 ‘실재론’을 모두 배제할 수 없었어요. 측정 각도를 미리 정해놓거나 장비 간의 거리가 충분치 않아서 논리적으로 완벽하진 않았죠. 하지만 차일링거는 1997년 실험에서 얽힌 광자 쌍이 날아오는 도중에 측정 장비의 설정을 무작위로 바꿔버렸어요! 그것도 나노초 단위로요. _ 본문 20쪽
양자암호, 양자통신, 양자컴퓨터가 단지 ‘이론적 가능성’이 아니라, 이제는 현실적 기술 개발의 대상으로 확장되기 시작했어요. 차일링거의 논문은, 비유하자면 뉴턴의 사과가 떨어진 순간과 같았다고 저는 생각합니다. 그 이후로는 ‘양자 얽힘은 존재할 수도 있다’가 아니라, ‘얽힘은 존재하고, 우리가 그것을 쓸 수 있다’가 되었거든요. _ 본문 22쪽
섀넌은 그 개념을 ‘정보의 불확실성’이라는 맥락에서 새롭게 정의했지. 열역학에서의 엔트로피는 “얼마나 무질서한 상태인가”를 나타내는 척도잖아? 정보이론에서는 얼마나 예측 불가능한 메시지가 전달되는가를 나타내는 척도로 사용했어. _ 본문 97쪽
아인슈타인은 유령이 있어 유령이 둘 사이에 원거리 작용을 하지 않는 한 이런 일은 일어날 수 없다며 양자역학의 불완전성을 지적했어. 아인슈타인이 주장한 유령을 과학자들은 숨은 변수라고 불러. _ 본문 147쪽
고전 컴퓨터는 0 아니면 1을 사용하는 비트(bit)로 계산하지만, 양자컴퓨터는 큐비트로 계산하지. 큐비트는 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 중첩상태야. 그러니까 여러 경우를 동시에 따져보는 문제에선 양자알고리즘이 훨씬 빠를 수 있어. _ 본문 197쪽
★ 전국 과학교사모임 추천 ★ 이공계 진학 예정자 필독서
★ 노벨상 수상자의 오리지널 논문을 다루는 책 ★ 오리지널 논문 영문본 수록
비트에서 큐비트로, 그리고 물리학으로
정보를 다루는 인간의 지성은 언어에서 숫자로, 그리고 수식에서 물리로 확장되어왔다. 샤논이 20세기 중반 ‘정보이론’을 세우며 세상의 모든 신호를 0과 1의 비트로 환원했을 때, 그는 인간 지식의 새로운 좌표를 그렸다. 그러나 양자역학은 그 체계를 다시 흔들었다. 『양자정보』는 바로 이 전환의 지점을 서사적으로 탐구한다. 0과 1 사이, ‘동시에 존재하는’ 상태를 다루는 큐비트와, 서로 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 변화가 다른 한쪽에 즉시 영향을 미치는 얽힘은, 기존의 정보 개념을 근본적으로 뒤흔들었다. 이 책은 샤논의 정보이론에서 출발해, 아인슈타인·포돌스키·로젠의 문제 제기, 벨의 부등식, 아스페의 얽힘 실험, 차일링거의 양자순간이동으로 이어지는 흐름 속에서 정보가 물리학의 언어로 다시 정의되는 과정을 보여준다. ‘비트에서 큐비트로’의 여정은 인간이 현실을 인식하는 방식 자체가 바뀌는 철학적 사건이다.
양자세계를 수학으로 그려낸 사람들
양자정보의 기초를 세운 물리학자들은 모두 수학적 언어로 세계의 불확실성을 표현하려 했다. 하이젠베르크가 불확정성의 원리를 제시하고, 보어가 보완성의 개념으로 입자의 이중성을 설명한 뒤, 벨은 이론이 지닌 모순을 정량화하여 ‘벨 부등식’이라는 명료한 실험 검증의 틀을 제시했다. 『양자정보』는 이러한 역사적 순간들을 단순히 해설하는 데 그치지 않고, EPR 논문과 벨의 원전, 아스페의 실험 보고서, 그리고 차일링거가 발표한 양자순간이동 논문을 그대로 수록했다. 독자는 수식과 데이터, 실험장치의 도식을 직접 읽으며 ‘과학적 사유가 어떻게 검증으로 이어지는가’를 경험하게 된다. 큐비트의 중첩과 얽힘, 게이트 연산, 노클로닝 정리 등은 수학의 논리와 물리의 현실이 교차하는 지점에서 태어난 개념들이다. 『양자정보』는 이 개념들을 일상의 대화로 풀어내며, “양자역학은 어렵다”는 편견을 깨고 물리학의 논리가 얼마나 아름답게 구성되어 있는지를 보여준다.
얽힘을 실험으로 증명한 과학자들
아인슈타인은 ‘유령 같은 원격 작용’이라 부르며 양자 얽힘의 현실성을 의심했지만, 그 의문은 결국 실험으로 해소되었다. 1970~80년대 알랭 아스페와 존 클라우저는 벨 부등식을 검증하는 정교한 실험을 통해, 양자 얽힘이 실제로 존재함을 입증했다. 이후 차일링거 연구팀은 얽힘을 이용해 한 입자의 상태를 멀리 떨어진 다른 입자로 ‘이동시키는’ 양자순간이동(Quantum Teleportation)을 구현했다. 『양자정보』는 이 실험의 수식과 절차를 충실히 복원해, 독자가 ‘양자순간이동이 어떻게 가능한가’를 단계별로 따라갈 수 있게 한다. 얽힘과 순간이동은 더 이상 철학적 상징이 아니라, 양자컴퓨터·양자암호·양자통신의 실질적 기반이다. 2022년 노벨 물리학상은 이 세 명의 과학자—클라우저, 아스페, 차일링거—에게 수여되었으며, 이들의 연구는 양자정보 시대의 문을 연 결정적 실험으로 평가받는다. 『양자정보』는 그 원전을 그대로 실어, 과학사의 전환점이 된 순간을 독자가 직접 목격하도록 한다.
사유와 기술을 잇는 교양서
『양자정보』는 기술과 철학, 실험과 사유의 경계를 잇는 책이다. 정완상 교수 특유의 문답식 구성은 독자의 호기심을 유도하며, ‘물리군’이 던지는 질문을 통해 얽힘·순간이동·양자게이트 같은 난해한 개념이 친근한 언어로 변환된다. 책은 양자정보가 현대 사회의 기술과 윤리, 인간 인식의 방식까지 바꾸고 있음을 보여준다. 양자컴퓨터가 계산의 패러다임을 바꾸고, 양자암호가 보안의 개념을 다시 쓰며, 얽힘 통신이 우주의 가장 먼 거리까지 확장될 수 있음을 제시한다. 『양자정보』는 청소년·이공계 지망생뿐 아니라, 정보의 미래와 과학의 철학적 기반을 이해하고자 하는 모든 독자를 위한 안내서다. ‘논문을 직접 읽는 과학’이라는 시리즈의 정체성은 이번 권에서도 빛을 발한다. 복잡한 개념을 두려움 없이 탐구하게 만드는 친절한 해설, 그리고 과학을 통해 사고의 지평을 넓히려는 저자의 열정이 이 책을 ‘생각하는 과학의 교양서’로 자리매김하게 한다.
뇌과학 전문가 박문호 박사는 유튜브 채널 ‘교육대기자TV’에 출연해 이공계 인재를 만들어줄 추천 책으로 성림원북스의 ‘노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학’ 시리즈를 언급하면서, 물리학 쪽으로 노벨상을 받은 논문들을 고등학생들도 알아들을 수 있도록 상세하게 풀어쓴 책이라고 소개했다. 누구나 쉽게 과학 지식을 접하게 해, 대한민국 방방곡곡에 알려졌으면 하는 바람이라며 그야말로 박수를 보낼 만한 시리즈라고 극찬한 바 있다.