하지만 우리가 스마트폰의 작동 원리를 몰라도 익숙하게 사용하는 것처럼, 양자 역학도 복잡한 수식 대신 그 안에 담긴 ‘양자 현상’과 우리가 일상에서 활용하고 있는 ‘양자 기술’에 집중해본다면, 이 낯설기만 했던 과학도 조금은 가까워질 수 있습니다. 그리고 그렇게 익히게 된 지식은, 빠르게 변화하는 시대에 우리의 삶을 더욱 풍요롭게 만들어 줄 진정한 ‘교양’이 될 수 있을 것입니다. - '프롤로그' 중에서
(사진, 책표지)
책의 저자 채은미는 레이저가 만들어내는 다채로운 빛의 아름다움에 반해 실험 물리학의 길에 들어서 일본 도쿄대학교에서 학사와 석사 과정을, 미국 하버드대학교에서 물리학 박사 학위를 받았다. 이후 도쿄대학교 조교수를 거쳐 현재 고려대학교 뭃리학과 교수로 재직하면서 연구와 후학 양성에 노력을 기울이고 있다.
총 2부로 구성된 책은 아름답고 신비한 양자의 세계(1부), 양자 컴퓨터가 이끄는 미래(2부)에 대하여 강의를 펼친다. 저자가 집필한 첫 대중 교양서인 만큼 더 많은 사람들에게 '양자 역학'과 '양자 컴퓨터'의 세계를 알리려는 의도를 담고 있다. 그래서 수식數式은 최소한으로 줄이고 양자 역학이 어떻게 우리 삶에 스며들어 있는지를 이야기한다.
또 이런 이야기아 함께 손 안의 스마트폰, GPS, 인터넷과 레이저, 그리고 양자 컴퓨터까지, 구체적인 사례를 통해 양자가 얼마나 가까운 일상이자 교양인지를 보여준다. 특히 양자 컴퓨터는 비트코인 보안과 금융 시스템, 신약 개발, 인공지능에 이르기까지 우리의 삶 전반을 뒤흔들 새로운 패러다임을 제시한다. 자, 교수님의 강의 속으로 들어가 보자.
인간의 위대한 지적 여행
덴마크 물리학자 닐스 보어(1885~1962)의 원자 모형은 양자 역학의 기초를 세우는 데 큰 역할을 했고, 알베르트 아인슈타인(1879~1955)의 광光電 효과 설명은 빛의 본질에 대한 이해를 완전히 바꾸어 놓았다. 이후 오스트리아 빈 출신의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)의 파동 방정식과 노벨 물리학상 수상자인 프랑스 이론 물리학자 루이 드브로이(1892~1987)의 파동-입자 이중성 개념은 양자 역학을 완전한 이론으로 완성시켰다.
(사진, 닐스 보어 모델)
이처럼 양자 역학은 수많은 과학자들의 통찰과 도전이 쌓여 완성된 학문임을 알 수 있다. 오늘날 우리가 사용하는 반도체, 레이저, 양자 컴퓨터 등 첨단 기술의 토대가 되었으며, 우리가 사용하는 많은 기술이 이 작은 양자의 세계에 기반을 두고 있음은 과학의 경이로움을 다시 한번 깨닫게 한다.
보이지 않는 아주 작은 세계를 이해하려는 인간의 노력은, 결국 우리가 사는 거대한 세상의 원리를 밝혀내는 열쇠가 되었다. 그렇다. 양자 역학은 단지 물리학의 한 분야를 넘어, 우리가 세상을 이해하고 미래를 상상하는 방식 자체를 바꿔 놓았다. 그리고 이 위대한 지적 여정은 앞으로도 계속 이어질 것이다. SF 소설에서 만나던 풍경이 우리들의 일상에 스며들 듯하다.
초전도 큐비트 양자 컴퓨터
초전도 큐비트 기반 양자 컴퓨터는 최근 몇 년 사이 양자 컴퓨팅 분야에서 가장 주목받는 기술 중 하나로 IBM, 구글 등 주요 테크 기업들이 활발하게 연구와 개발을 진행 중이다. 이미 50개 이상의 큐비트를 가진 칩부터 1천 개 이상의 큐비트로 구성된 시스템까지 다양한 성과가 발표되고 있다.
이는 초전도체라는 특별한 물질을 사용해 큐비트를 구현한다. 초전도체는 특정 온도 이하로 냉각될 때 전기 저항이 완전히 사라져 전류가 손실 없이 흐르는 물질이다. 이 특성을 이용해 초전도체 회로를 만들고, 그 안에 양자 정보를 저장하고 처리하는 것이 바로 초전도 큐비트의 핵심 원리다. 그런데, 2023년 여름 대한민국 연구진이 상온 초전도체 물질을 발견했다는 발표로 세계 과학계를 깜짝 놀라게 한 적도 있었다.
초전도 큐비트는 반도체 칩을 만드는 공정과 유사하게 알루미늄이나 니오븀 같은 초전도체 금속으로 칩 위에 미세한 회로를 그려 만든다. 이 덕분에 우리들에게 익숙한 반토체 칩과 비슷한 외형을 갖고 있다. 실제로 기업들이 공개한 초전도 큐비트 칩들은 3~4 센티미터 크기에 수십에서 수백 개의 큐비트가 구현되어 있다. 각 큐비트는 전선으로 연결되어 전기 신호를 통해 제어된다. 하지만 이 칩은 극저온(섭씨 영하 273도) 환경에서만 양자 컴퓨터로서 제대로 작동한다. 이를테면 필수 조건이자 큐비트의 양자 상태를 안정적으로 유지하는 역할을 보장한다.
(사진, 큐비트 접합)
이처럼 초전도 큐비트 양자 컴퓨터는 양자 컴퓨팅의 핵심 기술로 자리 잡아 세계적인 기업들이 잇달아 좋은 결과를 발표하면서 양자 컴퓨팅 커뮤니티의 분위기를 이끌고 있다. 초전도 큐비트가 가진 빠른 연산 속도와 제어의 용이함 그리고 실용화를 위한 여러 도전 과제들을 종합적으로 살펴보면, 양자 컴퓨팅이 우리 삶을 어떻게 바꿀지 그 가능성을 가늠해 볼 수 있다. 앞으로도 초전도 큐비트 양자 컴퓨터는 과학, 산업, 금융, 인공지능 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 핵심 기술로 자리매김할 것이다. 대한민국 과학계가 초전도 큐비트 기술의 세계적 강지强者가 되길 기대해 본다.
우리들의 미래엔 양자 역학이 스며든다
문과 출신인 내가 이 책을 읽게 된 동기는 어느날 무심결에 아내가 툭 던졌던 질문 때문이었다. 책상에 앉아 불교 경전을 공부하던 사람이 난데없이 양자 역학이란 물리학을 묻길래 난 당황했다. 나중에 알게 되었지만 약간의 여윳돈으로 주식에 투자하는데 양자 역학 관련 종목이 대박난다는 얘기를 들은 탓이었다. 이젠 과학도 주식투자에 스며들고 있다. '배워서 남 주냐'란 심정으로 공부 중인데, 읽기 편한 과학책이라 여러 사람에게 권하고 싶다.
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