과학을 이끄는 것은 개념인가, 도구인가

양자 문명 - 원자에서 양자컴퓨터까지, 세계를 움직이는 양자의 힘
한정훈 지음 / 김영사 / 2026년 8월

우리의 일상을 둘러싼 현대 문명은 과연 어떤 힘으로 굴러가고 있을까. 물리학자 한정훈의 새 책은 증기와 전기를 넘어 양자라는 새로운 동력이 어떻게 인류 문명을 혁신하고 있는지, 물리학자의 시선으로 흥미롭게 풀어낸다. 복잡한 수식 대신 생생한 역사적 일화와 직관적인 사고실험을 통해 낯선 양자의 세계를 친절하게 안내하는 훌륭한 교양 과학서다.

1. 도구가 이끈 과학, 적층되는 문명

책은 질문 하나로 시작한다. "과학을 이끄는 것은 개념인가, 도구인가?" 프리먼 다이슨이 던졌던 이 오래된 논쟁에서, 저자는 분명히 '도구' 쪽에 선다. 망원경과 현미경을 가능하게 한 유리라는 물질이 서양 과학의 눈을 틔워주었고, 프라운호퍼의 분광기가 별빛 속에 숨은 원자의 지문을 읽어내며 과학을 비약적으로 발전시켰다는 것이다.

이 믿음을 밑돌 삼아 저자는 문명을 하나의 지층처럼 그려낸다. 열에너지를 기계적 힘으로 바꾼 증기 문명, 발전기와 모터로 동력을 자유롭게 전달한 전기 문명 위에, 인류는 세 번의 양자 문명을 차곡차곡 쌓아왔다. 첫 번째는 원자핵 속 에너지를 길들인 시대다. 페르미의 원자로(1942)와 원자폭탄(1945)이 그 출발점이었다. 두 번째는 반도체와 레이저의 시대다. 벨 연구소에서 태어난 트랜지스터(1947)는 거대했던 진공관 컴퓨터를 개인의 책상 위로 옮겨왔고, 타운스와 숄로가 완성한 레이저는 광섬유를 통해 방대한 데이터를 빛의 속도로 실어 나른다. 양자 고체물리학으로 무장한 과학자들에게 자율적인 연구 환경을 제공한 벨 연구소 같은 조직은, 단순한 도구 개선을 넘어 인간이 물질을 원자 수준에서 설계하고 합성하는 존재론적 전환을 이끌었다. 세 번째는 지금 우리 눈앞에서 열리고 있는 양자컴퓨터의 시대다. 확실성 대신 확률성을 계산의 원리로 받아들이는, "악마와의 거래" 같은 도전이다.

폼페이의 도시 구조가 2천 년이 지나도록 크게 변하지 않았듯, 문명의 틀은 유지되고 그 속을 채우는 기술만 달라진다는 것이 이 책 전체를 관통하는 통찰이다.

2.미시 세계의 마법, 중첩과 얽힘

이 책의 백미는 고전역학의 상식으로는 도저히 이해하기 힘든 양자역학의 본질적 특성, 중첩과 얽힘을 풀어낸 대목이다. 저자는 수식 대신 '양자 구슬'과 '톰과 제리의 사과·귤 봉지', 닫힌 상자 속 전자 같은 사고실험을 동원해, 관측 전에는 여러 가능성이 겹쳐 존재하다가 측정이 이루어지는 순간 하나의 상태로 붕괴하는 양자의 기묘한 문법을 직관적으로 붙잡게 안내한다. 그러면서도 하이젠베르크의 행렬역학, 슈뢰딩거의 파동방정식 같은 물리학사의 핵심 장면을 놓치지 않는다.

아인슈타인은 비국소적인 원거리 상호작용에 "소름 끼치는 원거리 작용"이라는 철학적 불만을 제기하며 양자역학의 불완전성을 지적했지만, 훗날 벨 부등식과 이를 입증한 실험들(2022년 노벨 물리학상)을 통해 이 기묘한 현상이 물리적 실체임이 증명되었다. 당시엔 철학적 논쟁거리였던 얽힘 현상이 오늘날 양자컴퓨터와 양자 암호 통신의 가장 강력한 자원이 되었다는 반전이 이 책의 극적인 순간이다.

특히 인상적인 것은 인물들의 개인사다. 노벨상을 받지 못한 리제 마이트너와 우젠슝, 아내를 잃은 슬픔으로 전신기 개발에 매달린 새뮤얼 모스, 벨 연구소의 조직 문화 속에서 갈라선 바딘과 쇼클리 — 과학의 발전이 얼마나 인간적인 드라마였는지를 함께 보여준다.

3.계산의 패러다임을 바꾸는 양자컴퓨터

파인먼은 자연계가 양자역학의 지배를 받는다면, 자연을 완벽하게 모사하기 위해 컴퓨터 역시 양자역학적으로 작동해야 한다고 통찰했다. 고전컴퓨터가 비트로 한 번에 하나의 상태만 순차적으로 계산한다면, 양자컴퓨터는 큐비트를 활용해 기하급수적으로 많은 가능성을 동시에 탐색하는 '양자 병렬성'을 지닌다. 수많은 상태 사이의 보강 간섭과 상쇄 간섭을 영리하게 조작해 원하는 정답만 추출해 내는 쇼어 알고리즘 등은, 양자컴퓨터가 암호 해독 같은 특정 분야에서 기존 슈퍼컴퓨터를 압도할 수 있음을 보여주었다.

양자 상태를 오래 유지하기 어렵고 잦은 오류가 발생하는 기술적 난관은 여전하지만, 초전도 소자와 이온 트랩 등을 이용한 '인조 원자' 조작 기술은 꾸준히 한계를 돌파하고 있다. 책의 후반부는 IBM과 구글의 초전도체 경쟁, 아이온큐와 큐에라의 이온·중성원자 방식, 그리고 2025년 노벨 물리학상을 받은 클라크·드보레·마티니스의 이야기까지 현재 진행형인 양자컴퓨터 산업의 지형도를 다룬다. 저자 역시 응집물질물리학 이론가로서 이 분야의 연구자들과 직접 교류해온 배경이 이 대목에 생생함을 더한다,

4.기계와 인간이 함께 현명해지는 미래

증기 문명이 강력한 역학 엔진의 산물이라면, 현대 문명은 정보를 처리하는 연산 엔진의 진화에 기대어 있다. 확실성을 추구하던 기존 컴퓨터와 달리, 확률성에 기반을 둔 인공지능과 양자컴퓨터는 우리가 세상을 이해하고 문제를 해결하는 방식을 또 한 번 뒤바꿔 놓을 것이다. 저자는 방대한 데이터를 학습하여 '보편적 예리함'을 제공하는 인공지능 시대에, 그 보편성을 넘어서는 인간의 독창적 통찰이 더욱 중요해질 것이라 강조한다.

책의 마지막 장에서 저자는 이렇게 말한다. "인간이 똑똑해지는 만큼 인공지능도 똑똑해지고, 인공지능이 현명해질수록 인간도 그 도움으로 더 멀리 생각하는 세상이 이미 열렸다." 이 책 자체도 AI와의 대화를 통해 쓰였다는 저자의 고백은, 세 번째 양자 문명이 우리 삶 속에 얼마나 깊이 들어와 있는지를 보여주는 작은 증거다.

나 혼자만 현명한 세상보다 기계와 인간이 서로의 한계를 보완하며 함께 현명해지는 유토피아를 꿈꾸는 이 책은, 물리학을 좋아하는 사람은 물론 "양자컴퓨터가 대체 뭔데 다들 난리인가" 궁금했던 사람에게도, 기술이 바꿀 미래를 내다보고자 하는 이에게 나침반이 되어줄 듯 하다.