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[eBook] 빛의 양자컴퓨터
후루사와 아키라 지음, 채은미 옮김 / 동아시아 / 2021년 8월
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고전컴퓨터는 전자회로를 사용하여 계산 처리를 실행하거나 메모리에 기록한다. 그리고 그럴 때마다 사용되는 전기에너지가 열에너지로 전환되어 배출되고 있다. 따라서 계산 처리가 고속화되면 될수록 대량의 열이 발생한다.(p11)... 일반적으로 양자컴퓨터라고 하면 고전컴퓨터에 비해서 계산 처리 속도가 비약적으로 빨라진다는 점이 가장 기대되고 있으나, 본질은 그 점이 아니라고 나는 생각한다. 사실 그것보다 중요한 것은 매우 작은 에너지로 계산 처리를 할 수 있다는 점이다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p12/104

후루사와 아키라 (古澤明, 1961 ~ )의 <빛의 양자 컴퓨터>는 광양자컴퓨터 개발자인 저자가 설명하는 양자컴퓨터의 기본과 광양자컴퓨터의 개발 현황 등을 일반인을 대상으로 알기 쉽게 풀어 쓴 책이다. 양자컴퓨터에 대한 입문 내용은 다른 개론서와 별반 다르지 않지만, 양자컴퓨터의 본질을 ‘효율적인 에너지 사용‘으로 바라본 관점이 인상적으로 느껴진다.

양자컴퓨터를 이용하여 실제로 계산 처리를 하기 위해서는, 고전컴퓨터에서 사용하는 정보 단위 ‘비트‘에 상응하는 ‘양자비트‘가 필요하다. 양자비트란 고전컴퓨터에서 사용하는 비트가 ‘0‘과 ‘1‘ 중 하나로 정보를 표현하는 것에 반해, ‘0‘이면서 ‘1‘인 중첩 상태를 가진다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p24/104

양자컴퓨터는 ‘양자중첩‘과 ‘양자얽힘‘이라는 양자 세계의 특성을 활용하여 고전컴퓨터에서 사용되는 비트와 회로, 논리 게이트를 대신하여 양자 비트, 양자 회로, 양자 게이트를 활용한다. 또한, 양자 컴퓨터는 복소수를 활용하여 진폭과 위상을 나타나기에, 0과 1의 이진법 체계에서 구현되는 고전컴퓨터보다 빠르게 계산을 구현한다는 장점을 갖는다. 양자컴퓨터와 관련한 많은 책들이 이 부분에 집중하여 양자컴퓨터가 가져올 변화를 강조한다면, <빛의 양자 컴퓨터>는 ‘에너지 사용‘ 문제에 집중한다. 왜 에너지 사용 문제가 인상적인가. 그것은 양자컴퓨터의 상용화가 가져올 사회적 변화 때문이다. 일찍이 인터넷의 보급과 확산이 일부의 지식 독점권을 붕괴시켰듯, 양자컴퓨터는 또다른 사회변혁을 촉발시킬 것이다. 다만, 그 영향 역시 시간이 흘러 관측되기 전까지는 불확실할 것이다. 이 역시 양자역학이니까.

양자컴퓨터가 계산 처리 속도를 향상시킬 수 있는 방법은 세 가지가 있다. 1) 계산 처리의 스텝 수, 즉 사용되는 논리 게이트의 수 줄이기, 2) 코어, 즉 계산 처리를 수행하는 회로의 클락 주파수 향상시키기. 즉, 1초간에 처리하는 신호의 수 늘리기. 3) 멀티 코어, 즉 코어를 여러 개 나열하여 병렬 계산하기이다... 양자컴퓨터라 하더라도 여기서 이야기한 세 가지 방법 중 무언가를 실현하지 않는 한, 고전컴퓨터보다 고속으로 계산처리를 할 수 없다. 한편, 애초에 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 고속으로 계산 처리가 가능해야 하는가 하는 근본적인 의문도 생긴다. 하지만 양자컴퓨터가 실현되면 고전컴퓨터와 비교해서 대폭으로 소비전력을 줄일 수 있을 것이라 기대된다. 즉, 만일 1)의 방법을 실현하지 못한다 하더라도, 양자컴퓨터라면 최소한의 전력으로 대량의 병렬 계산 처리를 할 수 있다. 거기에 추가로, 초고속 계산 처리가 가능해진다고 생각하면 되는 이야기이다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자텀퓨터> , p26/104

본문에서 언급되지만, 현재 슈퍼컴퓨터에서 가장 중요한 문제 중 하나는 과다한 전력 사용으로 인한 발열 처리 문제다. 고속화된 계산 시 소비되는 전력과 발열처리 문제는 결국 자본의 문제로 귀결된다. 역사를 ‘에너지 문제‘의 관점으로 접근하는 ‘패권 = 에너지 통제권‘의 관점에서 바라본다면, 고도의 에너지 사용을 필요로 하는 기존 고전컴퓨터 체계에서는 선진국과 후진국, 계층간 지식불평등의 문제가 심화될 수 밖에 없을 것이다. 이러한 기존질서에 대해 양자컴퓨터는 분명 중요한 전환점이 될 것이다. 정보차원의 문제뿐 아니라, 새로운 자산으로 떠오른 암호화폐(Cryptocurrency)의 문제까지 연관시켜 본다면 양자컴퓨터의 개발은 기존 금융 시장의 질서까지도 바꿀 수 있는 중요한 전환점이 될 수도 있지 않을까.

오류 정정은 고전컴퓨터에서 필수적인 기능이다. 예를 들어, 1만 번에 한 번이라도 계싼을 틀리는 컴퓨터라면 우리는 절대 이용하지 않지 않겠는가. 오류가 사실상 없는 무오류 상태가 아니라면 컴퓨터라고 부를 수 없다. 그리고 이 무오류 상태를 실현하는 것이 오류 정정이다. 오류 정정을 양자컴퓨터에 적용하려고 하면 커다란 장벽에 직면한다. 그것은 양자비트의 경우, 중첩 상태에는 비트 반전 이외에도 여러 오류가 존재할 뿐만 아니라, 오류가 발생했는지 안 했는지를 확인하기 위해 양자 상태를 직접 측정하면 파동 묶음이 수축해버린다. 즉, 고전적인 오류 정정과 같이 직접 측정해서 오류를 검출하는 것이 불가능하다. _ 후루사와 아키라, <빛의 양자컴퓨터> , p46/104

다만, 양자컴퓨터의 개발이 고전컴퓨터의 퇴출과 전면 대체를 의미하지 않는다. 그것은 관측 이전 불확실한 상태의 양자 상태의 특성에 기인하는 것으로, ‘오류 정정‘을 위해서도 고전컴퓨터와 양자컴퓨터의 병행 발전은 필수적이다. 결국, 양자컴퓨터가 빠른 연산과 전력 소비를 줄이더라도 고전컴퓨터의 한도 내에서 가능하다는 것인데, 이같은 내용이 컴퓨터 분야에만 한정된 것을 아닐 것이다.

과거 칼 마르크스(Karl Marx, 1818~1883)가 <자본론 Das Kapital>에서 언급했던 것처럼 가변자본이 불변자본을 대체했고, 더 올라가 토머스 모어(Sir Thomas More, 1478~1535)의 <유토피아 Utopia>에서 양이 사람을 잡아 먹는 상황에서도 결국 노동력(Labor power)는 지금까지 살아왔던 것처럼 인공지능(AI) 시대에서도 인간은 대체될지언정 사라지지 않을 것임을 생각하게 된다.

아직 양자컴퓨터의 시대는 열리지 않았다. 매우 빠른 속도로 개발되고 있다고 하지만, 제논의 역설에서 아킬레우스가 영원히 거북이를 이기지 못하듯 양자컴퓨터가 상용화되는 시점은 먼 미래가 될 수도 있을 것이다. 그럼에도 불구하고, 먼 미래가 될 지 모를 양자컴퓨터가 오늘날 우리에게 의미를 갖는다면, 지속가능한 에너지의 사용과 인본주의에 대한 우리의 고민이 아닐까를 생각하며 책 리뷰를 마무리한다...

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1936년, 앞서 양전자를 발견했던 앤더슨 Carl David Anderson, 1905 ~ 1991이 우주선의 안개상자 사진 안에서 미묘한 입자의 궤적이 나타났다고 보고했다. 즉 그 입자는 분명히 전자가 아닌데다가 양자보다 가볍지 않으면 안된다는 것이다. 나는 이 소식을 듣자마자 그 입자야말로 내가 찾고 있던 새로운 입자(즉 중간자)라고 생각했다. _ 유카와 히데키, <보이지 않는 것의 발견> , p113 


 유카와 히데키(湯川 秀樹, 1907 ~ 1981)의 <보이지 않는 것의 발견>은 여러 면에서 베르너 하이젠 베르크(Werner Karl Heisenberg, 1901 ~ 1976)의 <부분과 전체>를 떠올리게 하는 에세이다. 물리학을 전공으로 하는 과학자들이 자신의 전공이야기를 쉽게 풀어 설명하면서 함께 인생에 대해 말한다는 점에서 그렇다. 

 

 이제 우리는 핵분열이라는 뜻밖의 과정이 충분히 가능한 것임을 인식했다. 아주 무거운 원자핵의 경우는 외부로부터의 작은 자극만 주어지면 저절로 분열이 일어날 수 있었다. 따라서 원자핵에 중성자를 쏘면 당연히 분열을 일으킬 수 있는 것이다. 전에는 왜 이런 가능성을 생각하지 못했는지 의아할 정도였다. _ 하이젠베르크, <부분과 전체> , p100/284


 과학자들이 물리학을 소재로 이야기를 풀어갔다는 점외에 이들이 같은 시대를 살았던 그리고 제2차 세계대전의 추축국의 국민이라는 점에서 또 다른 공통점을 갖지만, 책을 읽으면서 받는 느낌은 사뭇 다르다. 과학(科學)에 국적은 없지만, 과학자에게는 국적이 있기 때문일까. 하이젠베르크나 히데키가 각국을 대표할 수는 없겠지만, 책에 담긴 그들의 생각과 두 나라의 다른 전후(戰後) 처리 방식이 비교되는 것은 어쩔 수  없다. 


 지난 가을 힘들게 군복무를 하면서 보니까 주변에 전쟁을 원하는 사람은 거의 없었어요. 히틀러의 이른바 평화 정책이 거짓이었음이 드러나면, 독일 국민들이 빠르게 정신을 차리고 히틀러와 그의 신봉자들로부터 등을 돌리게 될 거예요. _ 하이젠베르크, <부분과 전체> , p101/284


 처음에도 말했듯이 중간자 이론은 오늘날 정체 상태에 빠져 있다. 이 난관을 벗어나게 되면 하나의 큰 해결점에 도달할 것이다. 사은 四恩의 첫째는 천황 폐하, 그리고 부모님의 은혜, 스승과 벗의 은혜, 중생의 은혜를 생각하지 않으면 안 된다... 단지 사은 四恩을 잃지 않고 연구에 정진할 것을 다짐한다. _ 유카와 히데키, <보이지 않는 것의 발견> , p116


 다른 한 편으로, <부분과 전체>는 하이젠베르크가 자신의 이론을 도출하고 인정받기 위해 아인슈타인( Albert Einstein, 1879 ~ 1955), 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr, 1885 ~ 1962)와의 진솔한 토론 모습이 고스란히 담긴 것에 비해 히데키의 <보이지 않는 것의 발견>은 기초를 모르는 신입생에게 강의하는 노(老)교수의 기초 강의록 같은 면을 보인다는 점에서 조금은 다른 느낌을 받는다.


 물질로부터 정신으로의 길, 이것이 현재 자연 과학이 추적하고 있는 길이다. 이것은 실로 먼 길이다. 언제쯤에나 완전히 통하게 될지 모른다. 물질의 측면에서는 물질과 화학이, 정신의 측면에서는 심리학이 그리고 그 가운데 생물학과 생리학이 각각의 길을 개척했다. 그러나 그 중간에는 아직도 미지의 광대한 황야가 있다. 우리들은 더 많은 실증적인 사실을 축적하지 않으면 안 된다. 그리고 그 밑을 관통하는 법칙을 발견하지 않으면 안 된다. _ 유카와 히데키, <보이지 않는 것의 발견> , p83


 개인적으로 <보이지 않는 것의 발견>에서 법칙에 대한 히데키의 문장에 시선이 머무른다. '더 많은 실증적인 사실을 통한 객관적인 법칙의 발견'이라는 히데키의 문장 속에서 피히테(Johann Gottlieb Fichte, 1762 ~ 1814)의 이성(理性)을 떠올리게 된다. 사물에 대한 우리의 표상을 사물과 일치시키기 위한 이성의 사용. 이성을 활용한 과학의 탐구라는 점에서 하이젠베르크와 히데키는 같은 길을 걸었을 것이다. 그렇지만, 어쩌면 히데키의 이성은 자기 이익(또는 자기 집단 이익)을 위한 '도구적 이성'에 불과했던 것은 아니었는지. Force의 어두운 측면과도 같은 이성의 서로 다른 면을 가져간 것이 하이젠베르크와 히데키의 사고 차이를 가져온 것은 아니었는가를 생각해 본다...


 객관적 진리란 사물에 대한 우리의 표상이 사물 자체와 일치하는 것을 뜻하다... 인간의 인식능력으로 사물 자체가 우리의 표상을 통해 실현되거나 우리의 표상이 사물 자체를 통해 실현되거나 할 수 있지만, 두 경우가 서로 긴밀히 얽혀 있어서 명확히 구별할 수 없기 때문에 아주 엄밀한 의미에서 객관적 전리는 유한한 존재인 인간의 이성과 상충한다는 것이 분명해진다. 그렇다면 우리의 표상은 결코 사물 자체와 일치할 수 없다._요한 고틀리프 피히테, <계몽이란 무엇인가> <유럽 군주들에게 사상의 자유를 회복할 것을 촉구함> - P156

 

 국가에 봉사하는 '관직'의 의무에 합당하게 자신의 이성을 사용하는 것을 이성의 '사적' 사용이라 일컫고, 반면 그런 관직의 의무에서 벗어나 단지 '식자'의 한 사람으로서 자유롭게 자기 생각을 개진하는 것을 이성의 '공적' 사용이라 일컫기 때문이다. 다시 말해 이성의 '사적' 사용은 도구적 이성을 가리킨다. 그런 경우 공동체의 구성원은 '단지 수동적 태도만 취하게 하는 기계적 장치'의 일부로 기능하며, 이성 사용의 보편타당성 여부를 따져서는 안 되고 국가의 명령과 관직의 의무에 무조건 복종해야 한다. 반면 이성의 '공적' 사용에서는 생각과 표현의 자유가 전적으로 허용되어야 한다는 것이 칸트의 입장이다._임마누엘 칸트 외, <계몽이란 무엇인가> , 해제, p254

마지막으로, <보이지 않는 것의 발견> <부분과 전체>를 읽기 전 간략하게 훑어보기 좋은 두 권의 책 소개를 하며 페이퍼를 갈무리한다...




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mini74 2021-09-15 17:46   좋아요 4 | 댓글달기 | URL
재미있지만 어려울 것 같은 ㅠㅠ 울집 아이가 좋아하는 주제네요. 사줘야겠어요. ㅎㅎ 좋은 책 소개 고맙습니다 *^^*

겨울호랑이 2021-09-15 19:05   좋아요 3 | URL
아이가 과학을 좋아하나 봐요. 어려운 공식보다는 이야기로 풀어내는 전개라 흥미롭게 읽을 수 있을 것 같아요. 미니님 아이와 함께 좋은 시간 되세요!^^:)
 

물질로부터 정신으로의 길, 이것이 현재 자연과학이 추적하고 있는 길이다. 이것은 실로 먼 길이다. 언제쯤에나 완전히 통하게될지 모른다. 물질의 측면에서는 물리학과 화학이, 정신의 측면에서는 심리학이 그리고 그 가운데 생물학과 생리학이 각각의 길을 개척했다. 그러나 그 중간에는 아직도 미지의 광대한 황야가 있다. 우리들은 더 많은 실증적인 사실을 축적하지 않으면 안 된다. 그리고 그 밑을 관통하는 법칙을 발견하지 않으면 안된다. 우리들이 추구하는 것은 객관적인 (따라서 또 상대적이고 개념적이지 않을 수 없는) 지식이다.
- P83


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아리스토텔레스와 플라톤의 토대 위에 ‘양(Quantity) ‘을 수힉적으로 측정하며 운동을 예측하는 프톨레마이오스의 과학. 유도원•주전원 가설에 기초한 「알마게스트」는 하늘을, 「지리학」은 땅을 설명하는 확고한 고대 과학의 정점을 이루며, 중세 천문학을 ‘알마게스트에 대한 일련의 각주‘로 전락시킨다. 코페르니쿠스에 의한 대전환이 일어나기 전까지 프톨레마이오스는 어떻게 중세 유럽과 이슬람 과학계를 지배했는가. 이를 야마모토 요시타카는 「과학혁명과 세계관의 전환 1」에서 다룬다.

앞으로 요시타카의 3부작 리뷰를 통해 과학사를 정리하고, 서구의 근대화를 이끈 첫번 째 요인인 ‘자본주의‘에 이은 두번 째 요인인 ‘과학‘의 역사를 정리할 계획이다...


고대 천문학이 도달한 지점으로 오로지 프톨레마이오스의 『알마게스트』 에 초점을 맞추는 것은 비단 이 저작의 수준이 높기 때문만은 아니다. 노이게바우어가 말하는 것처럼 "그의 저작은 고대의 수학적 방법으로 도달할 수 있는 천문학의 성과를 사실상 전부 포함하며, 『알마게스트』 에 의거해보는 한 그리스나 오리엔트에서 알마게스트 보다 선행했으면서 이후에도 살아남은 전혀 다른 방법이 있을 것이라고는 생각하기 힘들기" 때문이다. 또한 『알마게스트』가 그 후 수백 년에 걸쳐 수학적 천문학에서 기술과 계산의 기본 형식 paradigm을 제공했기 때문이기도 하다.
- P59

이 책은 15세기 중기부터 17세기의 30년전쟁까지, 북방의 인문주의 운동과 종교개혁을 배경으로 하여 중부 유럽을 무대로 한세기 반에 걸쳐 전개된 천문학과 지리학, 조금 더 일반적으로 말하면 세계 인식의 부활과 전환에 대한 이야기를 다룬다. 전작 「16세기 문화혁명」을 보완하는 의미로, 16세기 문화혁명과 나란히진행됐던 천문학 개혁의 전말을 추적하는 것이다. 왜 그리고 어떻게 서구 근대에서 과학이 탄생했는가에 대한 문제의식에서 출발한 탐색은, 「과학의 탄생: 자력과 중력의 발견」, 「16세기 문화혁명」과 함께 3부작을 이루는 이 책으로 일단 완결되는 셈이다.
- P37


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프톨레마이오스 이론의 핵심은 행성 운동의 제1의 부등성과 제2의 부등성을 각각 이심원•등화점 메커니즘과 유도원•주전원 메커니즘으로 설명하고, 관측 데이터에서 도출된 유도원과 주전원 반경의 비, 그리고 그 회전주기로 행성궤도를 결정한다는 것이다. 이를 위하여 각 파라미터를 결정하는 데 적합하도록 각 행성의 특별한 배치를 신중히 선정하고, 그렇게 선정된 배치에서 관측하여 얻은 최소한의 데이터를 사용한다.  - P90

코페르니쿠스의 지동설 제창이 의미하는 바는 단지 지구중심의 세계상에서 태양 중심의 세계상으로 전환되었다는 것뿐만은 아니다. 만약 그것이 전부라면 관측과 기술을 위한 좌표계를 변환했을 뿐으로, 상대적인 것에 지나지 않는다. 여기에서 결정적인 점은 지구를 행성 대열에 포함시켰다는 것이다.  - P30


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