양자역학의 결정적 순간들

양자역학의 결정적 순간들 - 양자역학 탄생 100주년, 중첩과 얽힘이 만든 신비로운 세계 ㅣ 내 인생에 지혜를 더하는 시간, 인생명강 시리즈 34
박인규 지음 / 21세기북스 / 2025년 6월

* 출판사를 통해 책을 제공받아 감사하게 읽고 주관적인 의견을 적었습니다.

과학기술의 발전이 시대의 흐름을 바꾸고, 부자의 향방을 바꾸고 있다. 컴퓨터의 탄생, 인터넷의 발전, 모바일 혁명, 그리고 AI의 혁신적 발전에 따른 다양한 테크의 발전이 뒤따르고 있다. AI의 발전에 따라 주목받고 있는 분야가 바로 양자컴퓨팅이라는 기술이다. 지금의 컴퓨터와는 연산처리속도가 확연하게 빨라진 새로운 개념의 컴퓨터를 만들 수 있는 기술이다.

양자컴퓨팅의 기본은 바로 양자역학이다. 지금의 컴퓨터보다 더 큰 계산을 하기 위해서는 양자컴퓨터가 반드시 필요하다고 한다. 컴퓨터를 구성하는 반도체와 자성체는 모두 양자역학으로 설계되고 제작되었다. 그런데 엄청난 시스템을 0과 1로만 계산하는 연산으로 활용하고 있어 양자역학이라 말하기 민망스러울 지경이다. 양자컴퓨터가 나와서 큐비트로 계산을 한다면 컴퓨터의 설계, 제작, 활용이 모두 양자역학의 진면모를 보여줄 것이다.

나는 문과를 나와서 물리학에는 별 관심이 없다. 하지만 주식시장에서 양자컴퓨터 관련 기업들이 약진하는 것을 보면서 관심을 가지게 되었다. 양자컴퓨터는 무엇이고 어떻게 작동하며, 왜 과학자들은 양자컴퓨터의 개발 가능성에 흥분을 하고 있는가? 어려운 수식을 통해서 양자역학을 이해할 수준은 못되지만 기본적인 개념을 알고 싶었다. 이 책은 양자역학과 양자얽힘에 대해서 설명한다.

양자역학의 핵심은 양자얽힘이라는데 솔직히 문과 입장에서 쉽게 이해가 되지는 않는다. 양자역학의 실험 중에서 가장 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 실험에 대한 내용을 보면 왜 양자역학이 어려운지 알 수 있다. 완전히 밀폐된 상자 안에 고양이와 청산가리가 든 병을 넣는다. 방사성 물질이 붕괴하면 계수기가 이를 감지하여 청산가리가 들어있는 병을 깨트린다. 고양이는 살아 있을까? 아니면 죽었을까?

우리가 상자를 열어보기 전에는 고양이가 살아있는지 죽었는지 알 수 없다. 그래서 우리가 실제로 보기 전까지는 고양이가 살아있거나 죽어있는 상태가 중첩된다고 말한다. 이것은 단순한 말장난일까? 아니면 정말 과학적인 현상에 대한 합리적인 설명인걸까? 중첩과 얽힘 현상에 대한 설명을 들으니 더 헷갈린다.

아무튼 컴퓨터는 0과 1로 이루어진 숫자를 통해 연산을 하는데 이를 비트연산이라 한다. 0과 1로 이루어진 덧셈과 곱셈을 할 수 있다. AND와 OR 게이트를 복잡하게 연결해서 8비트, 16비트 정보 등 빛의 속도로 연산을 처리한다. 하지만 아무리 빠른 속도로 계산을 하더라도 해결할 수 없는 문제도 있다. 양자컴퓨터는 아마도 이런 분야에 활용될 것이다.

기존의 전통적인 컴퓨터가 0과 1의 2가지 값 중 하나만 갖는 비트 단위를 사용하는 반면, 양자컴퓨터는 2가지가 중첩 상태로 존재하는 큐비트를 사용한다. 큐비트는 만드는 방법이 여러가지이며, 마이크로소프트, 구글, 디웨이브, 아이온큐 등의 회사들이 그 방법을 찾아내고 있다. 즉 일단 큐비트를 만들고 효율성 검증을 통해 양자연산을 시도하게 된다.

나는 양자컴퓨터에 대한 관심이 집중되면서 향후 컴퓨터를 양자컴퓨터가 완전히 대체하는 것으로 생각했다. 하지만 기존의 컴퓨터와 양자컴퓨터는 구현방식과 활용 부분에 확연한 차이를 보이기 때문에 기존의 컴퓨터가 사라지는 일은 없을 것이라 한다. 양자컴퓨터가 활용되는 분야가 별도로 정해져 있는 것 같다. 기술의 발전이 항상 좋은 변화를 가져오는 것은 아니지만 양자역학 100주년에 맞춰 2025년에 양자컴퓨터의 의미있는 발전이 있으면 좋겠다.