처음 만나는 양자의 세계

처음 만나는 양자의 세계 - 양자 역학부터 양자 컴퓨터 까지 ㅣ 처음 만나는 세계 시리즈 1
채은미 지음 / 북플레저 / 2025년 9월

2022년 서울 도서관 앞 잔디광장에서 있었던 [풀밭 위의 문학산책] 김상욱 작가와의 만남에서 '과학은 교양'이라는 말이 기억에 남았었다. 이후로 3년 만에 다시 물리 분야 책을 읽는다. 특히 이 책에서 양자컴퓨터에 대해 알게 되어 재밌었다. 우주의 신비도 놀랍지만 그 신비를 이만큼 알아내고 응용하는 인류도 참 놀랍다!

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​ 책은 1부와 2부로 나뉜다. 1부는 양자 역학이 무엇인지와 그 역사에 대해 간략히 다루고 실제 우리 생활에서 사용되는 양자 역학에 대해 말한다. 2부에서는 양자 컴퓨터 기술의 현재 수준과 그 미래를 알려준다.

양자(量子)란 무엇인가. 양(量)은 질과 양할 때 양을 말한다. 영어로는 'Quantum'이라고 하는데 셀 수 있다는 의미의 Quantity에서 유래했다. 이게 왜 그리 특별한가? 그전까지 알던 고전 역학과는 전혀 다른 방식으로 물리량의 양을 세고 이해하는 학문이기 때문이다.

책에서는 고전 역학과 양자 역학의 차이를 네 가지로 분류하여 설명한다. 첫재는 연속성과 양자학이다. 고전 역학에서는 몇몇 물리량이 연속적으로 변화한다고 생각했다. 그러나 양자 역학에서는 에너지와 같은 물리량이 계단식으로, 불연속적으로 변한다. 둘째는 입자와 파동의 이중성이다. 고전 역학에서 물질은 입자이거나 파동 둘 중 하나로 구분되었다. 양자 역학에서는 동시에 이중성을 가질 수 있다고 보고 이를 '파동-입자 이중성'이라고 한다. 셋째는 결정론과 확률론이다. 고전 역학에서는 물체의 초기 상태(위치, 속도, 힘 등)을 알면 미래 상태를 정확히 예측할 수 있다. 반면 양자 역학에서는 물질의 상태를 확률적으로 기술한다. 넷째는 측정과 상태의 붕괴이다. 고전 역학에서 측정은 단순한 관찰 행위에 불과하다. 하지만 양자 역학에서는 측정 행위가 입자의 상태 자체에 직접적인 영향을 미친다. 어떤 입자가 중첩된 상태로 존재하다가도, 우리가 측정하는 순간 파동 함수가 붕괴되어 중첩된 여러 상태 중 하나로 확정된다.

양자 역학의 이런 특징은 초기에 많은 물리학자들에게 큰 충격을 주었다. 코펜하겐 학파(닐스 보어, 하이젠베르크)와 EPR(아인슈타인, 포돌스키) 그룹은 치열한 논쟁을 벌였고, 이후 오랜 시간 수많은 실험을 통해 양자 역학 이론이 사실로 검증되었다.

양자 중첩과 함께 많은 논란이 되었던 개념이 '양자 얽힘'이다. 양자 얽힘은 2개 이상의 시스템이 서로 밀접하게 연결되어, 각각의 상태를 따로 기술할 수 없는 상태를 말한다. 얽혀있는 입자들은 아무리 멀리 떨어져 있어도 상태 변화를 동시에 일으킨다.

p.52

LED, 광통신, 레이저, GPS 등 이미 우리가 일상에서 사용하는 기술에 양자 역학이 적용되어 있었네! 그런데 왜 요즘 들어 다시 양자 과학 기술이 주목을 받는 걸까? 전까지는 양자의 입자성을 활용한 기술이었다면, 이제는 양자 중첩과 양자 얽힘 같은 양자의 파동성을 이용해 새로운 기술을 실현하려는 시도 중이기 때문이다. 그중 '양자 컴퓨팅​'이 가장 많은 관심을 받고 있다.

p.110

양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘을 통해 엄청난 양의 정보를 빠른 속도로 처리한다. 고전 컴퓨터의 비트(bit) 하나는 0 또는 1, 단 2가지 상태 중 하나만 가질 수 있다. 비트가 3개 있다면 2*2*2로 총 8가지의 조합(000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111)이 가능하다. 양자 컴퓨터의 큐비트(qubit) 3개가 모두 중첩 상태에 있다고 가정하면 세 큐비트는 동시에 8가지 조합을 가지게 된다. 고전 컴퓨터가 8번의 계산을 해야 하는 문제를, 양자 컴퓨터는 중첩된 하나의 상태만 계산함으로써 8가지 모두를 한 번에 처리할 수 있다. 큐비트가 많아지면 처리할 수 있는 정보의 수도 지수함수적으로 늘어난다.

3개의 비트를 바꾸려면 고전 컴퓨터는 비트 하나하나에 신호를 보내야 하므로 총 3번의 연산이 필요하다. 양자 컴퓨터의 세 큐비트는 얽혀 있어서 한 번의 연산만으로 세 큐비트 전체를 동시에 바꿀 수 있다. 이 역시 큐비트가 많아질수록 고전 컴퓨터와의 격차가 커진다.

모든 양자 컴퓨터는 '양자 중첩'과 '양자 얽힘'이라는 양자 역학의 핵심 개념을 활용한다. 하지만 이러한 원리를 실제로 구현하는 방식에는 여러 가지 이론적 접근이 가능하다. 즉, 양자 컴퓨터를 만드는 길은 하나가 아니다. 대표적인 방식으로 크게 3가지가 있다. 회로 기반, 단열 기반, 측정 기반 양자 컴퓨팅은 각각 뚜렷한 장단점이 있다.

p.134

몇 년 전 양자 컴퓨터에 대한 기사에서 현재의 암호화 기술이 양자 컴퓨터로 풀릴 것이라는 기대와 우려가 제기되었다. 정말 비트코인, 암호화폐가 위험해지는 걸까? 결론부터 말하면 당장은 아니라고 한다. 양자 컴퓨터가 기존 암호를 위협한다면 그걸 막을 수 있는 방법 역시 양자 역학을 이용해 만들 수 있다. 실제로 암호화폐 업계에서는 양자 내성 암호로의 전환을 논의 중이다.

p.230

양자 컴퓨터의 상용화 시기를 두고 전문가들의 의견이 갈리고 있지만 대부분 2028~2030년을 실질적인 상용화 원년으로 보고 있다고 한다.

1946년, 인류 첫 범용 전자식 컴퓨터 에니악 ENIAC이 공개되었을 때 그 모습은 무게만 27톤에 이르고 17,468개의 진공관과 무수한 콘덴서들이 촘촘히 이어진 거대한 물체였다. 현재는 어떠한가. 손 위의 스마트폰과 책상 위 노트북 크기가 되었다. 지금의 양자 컴퓨터도 초기 에니악의 형태와 비교할 수 있겠다. 2030년, 5년 뒤, 10년 뒤 미래가 기대된다.