양자 역학에 대해 기초적으로 배울 수 있는

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

<처음 만나는 양자의 세계>

출판사로부터 책을 지원받아 읽고 주관적으로 작성되었습니다.

이 도서를 읽으면서 생각한 부분을 두서없이 서술해 보았습니다.

"양자 역학"의 '양자'는 양과 단위를 표현하는 개념입니다.

양자 역학은 전자가 가질 수 있는 에너지는 연속적이지 않고 특정한 값으로 제한되며, 빛이 파동이면서도 입자처럼 행동할 수 있다는 사실은 약 100여 년 전, 큰 충격을 주기도 했습니다. 또한 물질의 상태를 확률적으로 기술하며, 측정 행위가 입자의 상태 자체에 직접적인 영향을 미치기도 합니다.

양자 역학은 전자, 원자, 분자 등 아주 작은 입자들의 세계를 설명하는 학문이자, 기술의 발전으로 우리는 그 성질을 적극적으로 이용하고 있으며, 스마트폰 카메라에 들어가는 이미지 센서도 양자 역학의 응용 기술이라 할 수 있고, 오늘날처럼 보안이 중요한 사회에서, 양자 키 분배 기술은 이론적으로 해킹이 불가능한 통신을 가능하게 합니다.

양자 역학에서는 고전 물리학과 양자 역학의 가장 근본적인 차이점으로 물체의 상태를 결정짓는 것은 확률적인 파동 함수 이며, 입자가 어디에 있을지, 어떻게 움직일지를 정확하게 예측하는 것이 아니라, 어디에 있을 가능성이 높은지를 확률적으로 기술하는 것이라 한 동안 수많은 물리학자들 사이에서 뜨거운 논쟁의 주제가 되었습니다.

양자 역학은 자연이 필연적으로 불확실성을 포함하고 있다는 것을 말해 주고 있으며, 동시에 그러한 불확실성 속에서도 일정한 질서를 발견하는 것이 과학의 역할임을 깨닫게 해 주는 학문이라고 생각한다고 저자는 이야기 하였다.

양자 역학이라는 과학의 세계를 우리 쉽게 볼 수 있는 경우는 LED의 사용을 예시로 볼 수 있는데, LED의 작동 원리는 전적으로 양자 역학에 기반하고 있으며, 전기적인 신호를 약자 역학적 반응으로 바꾸어 빛을 내는 장치로 LED에서 빛이 나는 원리는 '양자 도약'인데, 전자가 높은 에너지 상태에서 낮은 상태로 떨어지면서 빛을 내는 현상이며, LED 하나에도 전자의 도약과 에너지 밴드의 구조 그리고 빛의 입자인 광자의 방출이라는 정밀한 양자 현상이 숨겨져 있습니다. 기존 기술에 대한 양자적 이애화 새로운 양자 기반 기술의 발전은 계속해서 이어지고 있으며, 이 모든 흐름은 결국, 우리의 일상과 세상을 더 편리하고 풍요롭게 변화시키는 데 큰 역할을 하게 될 것이라고 저자는 이야기 하였다.

양자 정보 과학 기술이란, 양자 역학의 가장 대표적이고 신비로운 특성인 중첩과 얽힘을 이용해 지금까지 불가능했던 새로운 기술을 실현하려는 시도입니다. 예를 들면, 해킹이 불가능할 정도의 철통 보안 통신 체계를 구현하는 '양자 통신', 극도로 미세한 신호까지 정밀하게 측정하는 '양자 센싱' 그리고 고전 컴퓨터로는 엄두도 못 낼 계산을 순식간에 처리해 낸ㄴ '양자 컴퓨팅' 기술 등이 여기에 해당합니다. 양자 컴퓨터는 기본적으로 연산을 수행할 때 '양자 중첩'과 '양자 얽힘'이라는 양자 역학의 핵심 개념을 활용하는데, 이러한 원리를 실제로 구현하는 방식에는 여러 가지 이론적 접근이 존재합니다. 양자 컴퓨터를 만드는 길은 하나가 아니라는 뜻입니다.

양자 컴퓨터의 심장부에는 '큐비트'라는 고유한 정보 단위가 자리하고 있는데, 큐비트는 0과 1을 동시에 가질 수 있는 신비로운 성질을 지니고 있으며, 양자 컴퓨터를 현실적으로 만들기 위해서는 큐비트를 물리적으로 어떻게 구현하든 반드시 갖추어야 할 핵심 조건들이 있고, 이러한 조건들을 '디빈센조 기준'이라고 합니다. 0과 1을 명확하게 정의할 수 있는지, 큐비트를 손쉽게 초기화할 수 있는지, 큐비트의 상태가 얼마나 오래 유지되는지, 큐비트를 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는지, 큐비트의 값을 정확하게 측정할 수 있는지, 큐비트 간 정보를 정확하게 전달할 수 있는지, 비행형 큐비트를 양자 채널을 통해 멀리 전송할 수 있는지 등의 7가지 기준을 통해 이 기준을 만족하지 못한다면 실용적인 범용 양자 컴퓨터로 발전하기는 어렵다고 이야기 하였다.

저자의 서술과 같이 양자 역학의 원리와 현실적인 예시 그리고 현재 진행되는 기술 개발과 미래에 양자 역학에 대해 다양하게 볼 수 있는 도서였다. 양자 역학으로 인해 우리 세대와 미래가 앞으로 혁신적인 발전이 있을 것으로 보이는 것에 대해 뱅크 오브 아메리카의 분석가들은 양자 컴퓨팅을 인류의 '불의 발견'에 버금가는 혁신이라 평가했다고 한다. 디지털 기술에서 양자 역학은 중요한 부분이라 생각한다. 선진국 그리고 대기업에서 이제는 양자 역학에 대한 인식의 변화로 개발과 우위를 점하기 위해 끊임없는 투자를 할 것이고, 미래의 패러다임의 변화를 가져다줄 존재이기도 하기 때문이다. 처음에 컴퓨터가 나왔을 때 연산처리의 능력이 지금은 엄청난 결과를 초래할 것으로 생각되는데, 어려운 양자 역학이 우리 일상에 스며들어 새로운 미래를 창조할 때의 쾌감을 머지 않아 느낄 수 있다고 생각한다.

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