퀀텀의 세계

퀀텀의 세계 - 세상을 뒤바꿀 기술, 양자컴퓨터의 모든 것
이순칠 지음 / 해나무 / 2021년 12월

 

세상을 뒤바꿀 기술, 양자컴퓨터의 모든 것!

해나무에서 출판한 양자컴퓨터 연구의 권위자 이순칠 교수님의 <퀀텀의 세계>는 양자컴퓨터에 관해 수식 없이 이해할 수 있도록 저술한 책이다. 많은 이들이 양자컴퓨터에 관해 궁금하지만 쉽게 개념과 작동원리, 하드웨어, 프로그램 등 궁금한 것이 한 두가지가 아니다. 정작 양자물리학을 토대로 만들어졌다고 하는데 양자물리학부터 이해하기가 만만치는 않다.

저자인 이순칠 교수님은 카이스트 물리학과 교수이다. 양자컴퓨터 과학의 국내 최고 권위자로 꼽히는 물리학자. 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발해 주목을 받았다. 1989년에 미국의학과학학회가 수여하는 실비아 소킨 그린필드상을 수상했다. 2015년부터 한국물리학회 응집물질물리분과 위원장을 맡고 있다.

[ 퀀텀의 세계 책날개 중 ]

‘양자’를 뜻하는 퀀텀을 자주 접하는 경우는 경제학, 사회 현상을 설명하는 ‘퀀텀 점프’이다. ‘퀀텀점프’는 양자물리학에서 사용되는 용어로, 양자세계에서 양자가 어떤 단계에서 다음 단계로 넘어갈 때 계단의 차이만큼 뛰어오르는 현상을 의미한다. 양자역학은 우리가 흔히 접하는 고전역학의 사고 체계를 바탕으로는 이해할 수 없는 체계이다.

저자는 일반인이 이해할 수 있도록 소설의 형식을 빌려 양자컴퓨터에 관한 보고를 받는 형식으로 이루어져 있고, 시인인 아내가 원고를 함께 검토했다고 한다. 상황극 속 대통령이 해킹과 핵무기 유도를 위해 양자컴퓨터 기술이 활용될 수 있다는 사실에 놀라지만 다른 분야의 과학 기술에도 양자정보기술의 활용도가 광범위할 거라는 생각이 들었다.

이순칠 교수는 대한민국 양자정보 1세대 연구자로서, 국내 최초로 병렬처리 양자컴퓨터를 개발하여 “대한민국 양자컴퓨터 연구를 개척한 물리학자”라는 평을 받고 있다. 쉽게 가르칠 수 있다는 말은 그만큼 잘 알고 대중이 무엇을 어려워하는지 오랜 경험으로 알고 있다는 뜻이다. 이 책은 어려운 양자역학과 양자컴퓨터에 관해 가장 쉽고 이해하기 좋게 저술된 책 중 한 권이다.

양자역학이 고전역학은 다르지만 우리 일상을 설명하는데 필수적이다. 저명한 과학자들 역시 양자역학이 이해하기 어렵다는 말을 곧잘 했다는 것은 우리 사고 체계에 익숙하지 않다는 뜻일 것이다.

양자역학의 출발을 알린 것은 하이젠베르크다.

하이젠베르크는 “전자를 직접 볼 수 있을까?”라는 질문을 던진다. 한 번도 본 적도 없는 전자가 상식대로 행동할 거라는 고정관념에서 벗어나 오로지 직접 알 수 있는 물리량들만 가지고 이론을 만들어보기로 했다.

하이젠베르크는 보어의 원자 이론에서 불연속적인 상태가 존재한다는 개념을 확장해 전자도 점프를 할 때 빛을 흡수하거나 방출한다는 것을 알았다. 그는 ‘원자는 행렬이다’라고 선언했다.

하이젠베르크의 행렬역학과 슈뢰딩거의 파동역학은 서로 대립되는 면이 있었으나 슈뢰딩거와 에커르트에 의해 두 이론이 매우 다르지만 서로 동등한 것임이 증명되었다.

양자역학에 대한 두 공식인 행렬역학과 파동역학이 정립되자 양자이론은 급속도로 발전하여 원자, 분자, 고체에 적용되었고 헬리움, 별의 구조, 초전도체의 본질, 자석의 성질에 대한 문제를 해결하였다.

양자역학의 가장 중요한 원리가 중첩성의 원리이고, 양자역학이 확률에 기반하는 학문이다. 슈뢰딩거를 고양이를 이용한 사고 실험으로 양자 역학의 중첩성에 관한 개념을 널리 알렸다.

양자컴퓨터를 위한 다음 단계는 얽힘의 활용이다. 양자전산이 고전전산보다 빠른 이유는 중첩에 의한 현상 가운데서도 얽힘을 활용하기 때문이다.

양자물리의 확률적 해석에 끝내 동의할 수 없었던 알버트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로즌은 공동으로 ‘EPR 패러독스’라는 논문을 출간했다.

이는 양자물리는 불완전하다는 결론은 내린 논문이다. 역설적으로 EPR 논문은 양자물리의 철학적 문제점을 지적한 논문으로 몇 십년 후에 양자물리의 르네상스를 일으키는 단초를 제공했다.

이후에는 본격적으로 양자컴퓨터의 작동원리와 그 용도를 설명한다.

애초에 컴퓨터의 출현이 포탄의 예상 포격지점을 계산하기 위해 만들어졌다.

1946년의 애니악의 무게가 30t이었다는 점은 놀랍다. 컴퓨터 기술은 발전했고, 10진법을 숫자를 사용해 숫자를 표현하는 사람과 달리 컴퓨터는 0과 1로 된 이진법을 사용한다.

컴퓨터의 발전은 처리 속도의 발전과 궤를 함께한다. 컴퓨터가 계산을 처리하는 과정에서 계산이 꼬이거나 바이러스가 발생하는 문제로 속도가 지연되었다. CPU의 개선과 CPU 숫자를 늘리는 방법은 이를 해결하는 방법이었다. CPU를 한없이 늘린 슈퍼컴퓨터는 일반컴퓨터보다 월등히 빨라진 계산을 처리한다. 슈퍼컴퓨터는 CPU의 여러 개 병렬로 나열한 것이다. 전력을 많이 사용하고 발열도 심하다.

이에 도이치 박사는 컴퓨터의 이진법을 양자역학적으로 해석하고자 했다.

양자컴퓨터의 기본 단위는 고전 컴퓨터인 비트를 대신한 큐비트가 사용된다.

고전컴퓨터에서 비트라고 부르는 이진수 한자리를 양자컴퓨터에서는 퀀텀 비트라는 뜻에서 ‘큐빗’이라고 부른다. 비트와 큐빗의 차이는 비트는 0이나 1 둘 중 하나의 값만 가지지만 큐빗은 0과 1뿐 아니라 둘의 어떤 중첩상태도 될 수 있다는 점이다.

양자컴퓨터는 미국과 중국이 서로 경쟁하듯 더 많은 큐빗을 활용한 컴퓨터를 만들어내고 있다. 양자정보기술의 상징적인 세 가지 기술, 양자컴퓨터와 양자암호통신과 양자원격이동도 새로운 기술로 고전기기의 한계를 뛰어넘고 있다.

양자컴퓨터에 관해 궁금한 분은 <퀀텀의 세계>를 꼭 한번 읽어보시길 추천합니다.

- 이 글은 출판사에서 도서를 지원받아 주관적으로 작성하였습니다.

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