구글에서 2년 연속 노벨상을 수상자를 배출했다. 분야는 단연 AI와 양자분야다. 그런데 이번엔 양자에 관한 특별한 이론이 눈에 띈다. 거시 규모에서 나타나는 양자역학적 효과를 연구한 공로를 인정받은 것이다. 미시적 세계에만 국한된 줄 알았던 양자연구를 거시적 세계로 확장하고 있다는 것은 앞으로 과학기술이 어떤 방식으로 진행될지 어렵지 않게 예측할 수 있다. 사실적으로 양자는 컴퓨팅을 중심으로 거대기업들이 가장 우선적으로 연구하고 투자하는 분야다. 양자의 매력은 예측불가능성과 불확정성에 있다. 아름다움과 신비로움이 가득한 양자. 양자는 어떻게 세상을 바꿀 것인가? 양자를 이해하는 방식에 따라 세상을 바라보는 새로운 관점을 만날 수 있을 것이다,
그동안 세계는 눈으로 보고 느끼는 거시세계에 집중되어 있었다. 뉴턴의 역학, 맥스웰의 전자기학은 거시세계를 대표하는 고전물리학이다. 그런데 과학기술의 발전은 기존의 물리법칙이 적용되지 않는 미시세계를 탐험하게 되었다. 더 이상 분리될 수 없는, 아주 작은 것들로 이루어진, 미시세계는 세계의 근본을 이해하는 데 중요한 구심점이 되고 있다. 양자는 양을 의미하는 Quantity에서 유래되었다. 고전역학의 물리량이 연속적이라면 양자역학은 불연속적으로 하나의 광자, 입자와 같은 개수로 표현할 수 있다. 그동안 빛은 파동의 성질만 알려져 왔다. 하지만 1905년 아인슈타인의 주장과 1927년 노벨 물리학상을 수상한 콤프턴의 실험에 의해 빛의 입자성이 증명되었다. 이는 브로이에 의해 입자라고 믿어온 모든 물질들도 입자와 파동의 성질을 가질 수 있음이 증명되었다.
양자역학이 고전역학과 구분되는 점은 연속성의 차이다. 1913년 닐스보어는 전자의 행성모델을 제안하며 전자가 원자핵을 중심으로 일정한 궤도 안에서 움직이고 있다고 설명한다. 브로이는 보어의 궤도 안 전자를 더욱 확장시켜 파동입자의 이중성 개념을 제안하는데 전자의 파동이 궤도를 한 바퀴 돌고나서 원래의 파동모양으로 정확히 겹치는 경우에만 전자가 그 궤도에 존재할 수 있다는 전자의 위치를 확률적으로 표현한 파동함수의 개념을 제안하게 된다. 파동함수는 물질이 존재할 확률을 결정해주는 함수로 전자의 이중 슬릿 실험을 통해 위치와 운동량의 불확정성 원리를 설명한다. 파동함수는 양자역학을 대표하는 원리다.
양자역학의 가장 중요하고 신비로운 현상이 중첩과 얽힘이다. 기존 컴퓨터가 정보를 0과 1로만 인식한다면 양자 시스템은 0이면서 1일수도 있는 양자 중첩상태를 설명한다. 앞면을 0 뒷면을 1이라 써진 동전을 빙글빙글 돌린다면 회전 중일 때는 앞면과 뒷면을 명확히 파악할 수 없지만 측정순간, 반드시 0 이거나 1이 결과로 나온다. 중첩은 여러 번 반복할수록 확률의 크기를 결정한다. 중첩상태는 파동함수로 나타낼 수 있고 전자를 발견할 확률은 그 위치의 파동 함수의 크기의 제곱으로 나타낼 수 있다. 두 번째가 양자 얽힘이다. 얽힘은 2개 이상의 시스템이 서로 밀접하게 연결되어 각각의 상태를 따로따로 기술할 수 없는 상태를 의미한다. 실로 두 시스템이 강하게 묶여있는 것처럼, 하나의 상태가 다른 상태에 직접적 영향을 미친다.
아인슈타인도 받아들이기 어려웠던 양자 얽힘은 벨 실험에 의해 사실이 증명되었다. 양자 얽힘은 순간이동이라 불리는 텔레포테이션을 연상하게 한다. 2017년 중국 인공위성 묵자호는 지구와 수백 킬로미터 떨어진 위성 사이에 얽힌 광자를 생성하고 지구에서 우주로의 양자 텔레포테이션을 성공했다. 양자 텔레포테이션은 양자 통신, 양자 컴퓨터의 완벽한 정보전달을 중심으로 새로운 세상을 재편할 수 있을 것이다. 본 책은 1부를 통해 양자의 세계를 설명하고 2부에선 양자컴퓨터의 미래를 다루고 있다. 인간은 빛을 어떻게 발전시켜왔을까? 광자는 인류를 이해하는데 가장 본원적이고 실체적인 물질이다. 인류는 백열등으로부터 LED까지 빛에 대한 연구를 통해 세상을 밝혀왔다. 기술이 발전할수록 양자현상은 레이저, 광통신, 원자시계, GPS와 같은 기기를 통해 변화하는 세상의 중심이 되고 있다. 양자컴퓨터는 세상을 어떻게 바꿀 것인가?
양자컴퓨터는 빛의 파동성에 주목한다. 기존의 컴퓨터가 직렬형구조로 연속적 계산을 수용한다면 양자 컴퓨터는 문제를 중첩된 상태로 계산해 모두를 한 번에 처리할 수 있는 시스템이다. 비트가 많을수록 반복적 계산을 통해 엄청난 데이터를 순식간에 처리할 수 있다. 양자 컴퓨터의 발전은 기존문제를 훨씬 효율적으로 해결할 수 있음은 물론이고 인류가 원하는 문제에 훨씬 빠르고 쉽게 다가갈 수 있음을 설명한다. 양자현상 못지않게 AI도 급격히 부상 중이다. 간혹 양자를 탑재한 AI를 상상해본다. 인류는 어떤 미래를 예측할 수 있을까? 과학발전의 목적이 인류에 보다 나은 삶을 보장해 줄 수 있을까? 아니면 그 자체로 목적이 될 것인가? 양자는 특별한 학문을 벗어나 교양에 가까워지고 있다. 양자현상은 더욱 빠르게 주변을 장악할 것이며 우린 양자세계에 귀를 기울여야 할 것이다.
- 이 리뷰는 출판사에서 도서를 제공받아 직접 읽고 작성한 리뷰입니다.
