[마이리뷰] 김상욱의 양자 공부

김상욱의 양자 공부 - 완전히 새로운 현대 물리학 입문
김상욱 지음 / 사이언스북스 / 2017년 12월

슈뢰딩거의 고양이, 양자컴퓨터 같은 양자 관련 이야기가 자꾸 나오는데 전혀 이해할 수가 없어서 답답했다. 알쓸신잡에서 유시민 작가가 김상욱처럼 과학을 알려줬으면 자기도 과학을 좋아했을 거라고 했던 적이 있었다. 양자역학 책은 여태 읽기를 성공해본 적이 없는데 이번에는 이해할 수 있을 것이라는 기대를 갖고 책을 봤다. 작가가 양자역학을 일반인이 이해하도록 최대한 쉽게 설명하려고 애를 쓴 티가 역력하다. 책을 읽는 처음에는 전혀 모르겠다가 책을 덮을 즈음엔 저자의 반복학습 덕분에 전보다 알 것 같은 느낌이 든다. 여전히 양자역학은 어렴풋하지만 잘 모르겠어도 정상이라고 했으니 만족한다. 다음엔 양자역학 말고 작가의 다른 책을 읽어보고 싶다.

파동이면서 입자다. 하나의 정상 상태에서 다른 정상 상태로 전자가 도약한다. 여기에는 이해할 수 없는 상황과 표현이 등장한다. 움직이는 사람의 시간이 느리게 간다는 특수 상대성 이론도 직관과 맞지 않는다는 점에서 비슷하다. 하지만 적어도 그런 상황을 상상해 보는 것은 가능하다. 반면 "파동이면서 입자"라는 것은 상상조차 할 수 없다. 입자가 파동의 모습으로 움직이는 것이 아니다. 마찬가지로 양자 도약하는 전자를 상상하는 것은 불가능하다.
양자역학은 정말 이상하다. 하지만 문제는 원자가 아니다. 문제는 바로 우리 자신이다.
p. 81

위치와 운동량을 동시에 아는 것이 왜 불가능할까? 고양이의 위치를 알기 위해서는 고양이를 보아야 한다. 본다는 것은 무엇일까? 여러 번 겪은 일이지만, 양자 역학 이야기를 하다보면 이런 당연한 것을 수도 없이 다시 되짚어야 한다. 본다는 것은 빛이 고양이에 충돌해서 튕겨나와 그 일부가 내 눈에 들어왔다는 것이다. 양자 역학적으로 빛은 입자이기도 하다. 빛에 맞으면 충격을 받는다는 말이다. 당신이나 고양이 같이 큰 물체는 빛에 맞아도 아무렇지 않지만, 전자라면 사정이 다르다. 전자같이 작은 입자는 빛에 맞으면 휘청거린다. 전자의 위치를 정확히 알고 싶으면 짧은 파장의 빛을 사용해야 하는데, 파장이 짧을수록 전자가 받는 충격량이 커진다. 충격은 운동량을 변화시킨다.
(중략)
정리해보자, 측정하는 행위가 결과에 영향을 줄 수 있다. 이 때문에 위치와 운동량을 동시에 아는 것이 불가능하다. 위치와 운동량을 모르면 뉴턴 역학에 따라 미래를 예측할 수 없다. 이 때문에 확률을 쓸 수밖에 없으며, 결국 비결정론이 도입된다. 신은 이 순간에도 주사위를 던지고 있다.
p.130~131

하지만 양자역학은 안타깝게도(?) 우리 주위에 널려있다. 그 이유는 간단하다. 양자 역학은 원자를 설명하는 이론이고, 세상 모든 것은 원자로 되어 있다. 따라서 주위에 보이는 모든 것에서 양자 역학이 작동한다고 보면 된다.
p. 162

양자 컴퓨터의 가장 큰 특징은 중첩 상태를 이용한다는 것이다. 이 때문에 동시 다발적 처리가 가능하다. 그로버가 발견한 양자 검색 알고리즘이 기존의 검색보다 빠른 이유도 한꺼번에 탐색할 수 있기 때문이다. 중첩이 유지되기 위해서는 누누이 이야기했듯이 결어긋남을 막아야 한다. 측정당하지 말아야 한다는 말이다. 하지만 대개의 경우 결 어긋남을 피하기가 아주 어렵다는 것이 양자 컴퓨터의 실현에 가장 큰 걸림돌이다. 아무튼 양자 컴퓨터는 중첩상태가 유지되는 과정을 통해 연산을 수행하고, 최종적으로 측정하여 결과를 얻는다.
p. 202