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어제 구글과 나사가 함께 개발한 D웨이브 2X라는 양자 컴퓨터가 PC보다 무려 1억배나 빠르다는 기사에 많은 사람들이 호기심을 냈습니다. 그러나 양자 컴퓨터가 뭔지 모르는 분들은 양자 컴퓨터의 개념조차 잡을 수 없었습니다. 물론, 저도 그중 한 사람입니다. 



<D웨이브 2X라는 양자 컴퓨터>

그래서 양자 컴퓨터가 뭔지 인터넷 자료와 여러가지 강연을 들으면서 개념을 정리할 수 있었습니다. 많은 사람들이 양자역학을 어려워합니다. 물론 저도 좀 들여다 보니 쉽지는 않더군요. 그러나 물리학자가 될 것이 아니라면 대략적인 개념 정도는 강의나 글을 읽으면서 개념은 심을 수 있을 듯 합니다. 

그래서 어깨 너머로 본 양자 역학에 대한 이야기부터 시작해보겠습니다. 제가 설명하는 정보가 정확하지 못할 수 있으니 오류가 있는 부분은 언제든지 댓글로 지적해주셨으면 합니다.



눈에 보이지 않는 미시 세계를 지배하는 법칙 양자 역학

우리가 사는 세상은 물리 법칙(역학)이 존재 합니다. 물건을 손에서 떨어트리면 바닥으로 떨어지는 중력과 같은 눈에 보이지 않는 힘이 존재하죠. 모든 물리 현상들 명쾌하게 설명하진 못해도 대부분의 현상을 설명하면 그 법칙을 과학자들은 따랐고 현 세상을 더 폭넓고 정확하게 설명하는 다른 이론이 탄생하기 전까지는 그 물리 이론을 지지했죠. 

그래서 뉴턴이 중력을 발견한 후 한 동안 뉴턴의 물리 세계관에 살았습니다. 그러다 아인슈타인이 이 중력이라는 것이 관성과 중력은 구분할 수 없다는 등가 원리와 빛보다 더 빠른 존재는 없고 빛이 모든 공간에서 일정한 속도를 내고 중력에 의해 빛이 휠 수 있다는 특수상대성이론과 일반상대성이론을 개념을 세상에 선보입니다. 아인슈타인의 머리속 이론은 시간이 지난 후에 증명이 되면서 지금까지 우리가 사는 지구를 넘어 우주의 물리 법칙을 설명하는데 사용되고 있습니다.

언젠가는 이 아인슈타인의 특수,일반상대성이론을 뛰어넘는 물리 이론이 나오겠지만 그전까지는 이 이론을 이용해서 세상을 관착하고 예측할 것입니다. 그런데 뉴턴과 아인슈타인의 물리법칙은 거시 세계 즉 눈에 보이는 세상을 설명하는 데는 유용하지만 눈에 보이지 않는 원자, 전자, 중성자 같은 양자들을 설명하는 데는 적합하지 않습니다. 

이 눈에 보이지 않는 세상인 원자 단위의 세계를 설명하는 물리 역학이 양자 역학입니다. 


이 미시세계를 설명한 흥미로운 동영상이 있네요. 이 영상은 한글 자막이 있으니 자막 켜 놓고 보세요. 아주 쉽고 재미있습니다. 


양자 역학은 눈에 보이지 않는 원자에 관한 물리 법칙을 다루고 있습니다. 따라서 개념 잡기가 쉽지 않죠. 눈에 보여도 이해하기 힘든 세상인데 눈에 안 보이는 세상을 개념과 도식화된 이미지만 가지고 이해하기는 쉽지 않습니다. 그럼 평생 모르고 살아도 되냐? 네 몰라도 사는데 전혀 지장이 없습니다. 그런데 우리는 몰라도 되는 것들에 궁금해 하잖아요. 호기심의 동물이 인간이기에 몰라도 되는 것도 알면 뼈와 살이 되고 이 세상을 이해하는데 도움이 됩니다.

그럼 양자 역학이 우리에게 피부로 와 닿는 접점이 어디냐고 물으신다면 지금 여러분이 들고 있는 스마트폰이나 태블릿 PC같은 가전제품들이 다 양자 역학 때문에 생겨난 제품들입니다. 이 전자공학 자체가 전자의 이동을 이용해서 인간의 명령을 수행하는 제품들 이잖아요. 

이 양자 역학의 핵심은 이 양자들인 원자, 중성자, 전자를 이해할 수 있어야 합니다. 과학자들은 궁금했습니다. 이 세상은 무엇으로 이루어졌을까? 즉 레고 블럭 같은 존재를 찾으려고 노력했죠. 그렇게 해서 찾은 것이 원자, 전자, 중성자 그리고 최근에는 미립자들 까지 발견합니다. 물질을 이루는 최소 단위를 연구하는 양자 역학은 그들만의 물리 역학이 따로 존재합니다. 

우리가 이 양자 역학을 이해하기 힘들어하는 이유는 이 양자들이 눈에 보이지 않을 뿐더러 존재 방식이 거시 세계와 판이하게 다르기 때문입니다. 


양자들의 세상은 확률로만 존재하는 세상

양자(Quantum)는 물질의 입자성과 파동성 특성을 기술하는 물리량의 최소 단위입니다. 원자나 전자는 알갱이 같은 입자 같은 성질도 있지만 전파같이 진동을 하는 파동성도 가지고 있습니다. 이중에서 전자는 원자에서 이탈하기도 하고 에너지를 받으면 퀀텀 점프라고 해서 원자 주변을 일정 간격을 두고 돌다가 좀 더 멀리 돌고 에너지를 소비하면 원자 가까이에서 돕니다. 그러다 다른 원자가 있는 곳으로 흘러 가버리기도 하죠.

전자 공학의 전자가 바로 자유롭게 이동하는 전자를 이용해서 만든 생태계로 우리게에 많은 이로움을 주고 있습니다. 가전제품 많이 팔아서 성장한 한국은 전자들에게 큰 도움을 받은 나라라고 할 수 있습니다.  그런데 이 전자라는 것은 눈으로 관측할 수 없습니다. 아니 관측은 할 수 있지만  다른 사람이 관측하면 다른 곳에서 발견이 됩니다. 그럴 수 밖에요. 그 작은 전자가 1초에 2,200km 속도로 움직이기 때문에 똑같은 위치에서 발견 될 리가 없습니다.

이렇게 빠르게 움직이다 보니 관측자에 따라서 달리 보이게 되죠. 그래서 우리는 전자가 있다는 것은 알지만 그 속도와 위치를 정확하게 잡아낼 수 없습니다. 다만 여기에서 발견될 확률이 90%다 50%나 식으로 확률로 정의합니다. 그래서 이 양자 역할을 확률의 세계라고 합니다. 

쉽게 말하면 두루뭉수리한 상태이자 뜬구름 같은 상태이죠. 이에 아인슈타인은 모든 것은 원인과 결과가 있고 우리가 모르는 뭔가를 알게 되면 확률의 세상 따위는 없다고 주장을 했죠. 아인슈타인은 모든 것은 결정된 상태라는 결정론적인 사고관을 가지고 있었습니다. 그러나 현대 물리학에서는 이런 확률로 존재하는 전자들이 사는 세상을 인정하고 있습니다. 

하이젠베르크는 불확정성의 원리를 통해서 위치와 운동량(속도)를 동시에 정확하게 측정할 수 없다고 결론을 내립니다. 
이후 세상은 모든 것이 확실한 것이 아니 불확실한 세계관에 대한 충격을 받습니다. 0% 아니면 100%라는 있거나 없거나 하는 이분법적인 세상에 살다가 있을 수도 없고 없을 수도 있다는 회색분자 같은 존재를 인정하기 힘들었죠

그런데 어쩌겠어요. 이 전자라는 녀석이 사는 미시세계는 확률로 존재하는 세상인데요. 이런 양자의 세상을 비꼰 비유가 '슈뢰딩거의 고양이'가 나옵니다. 


고양이를 50% 확률로 터지는 폭탄과 함께 벙커에 넣습니다. 그리고 시간이 지난 후에 벙커를 열어 보니 고양이는 폭약이 터져서 죽었거나 폭약이 터지지 않아서 살아 있겠죠. 즉 죽거나 살아 있거나 2개만 존재합니다. 

그럼 그 벙커를 열기 전의 고양이는 어떤 상태일까요? 죽어 있으면서 살아 있는 이상한 상태라고 생각합니다. 죽거나 살아 있거나 결정된 상황이 아닌 벙커를 열기 전에는 고양이가 죽었다고도 살아있다고도 말할 수 없습니다. 왜냐하면 그건 확률의 세상이니까요.

거시적인 세상에서 보면 양자 역학이 이상해 보입니다. 하지만 이 양자 역학은 확률로 존재하는 그들만의 세상이라서 인정을 안할 수도 없습니다. 지금 물리학자들은 거시 물리학과 미시 물리학이 따로 존재하는 듯한 모습을 깨는 두 세계의 연결 고리를 찾고 있습니다. 거시 세계와 미시 세계를 동시에 설명하는 물리 역학 법칙을 찾고 있습니다. 만약 찾는다면 인류는 거대한 도약을 할 것입니다. 



0과 1의 2진법으로 이루어진 디지털 세상


<컴퓨터의 아버지 폰 노이만 박사>

전자공학은 원자 중성자 이런 것 볼 필요 없습니다. 오로지 자유로운 전자라는 놈만 주목하면 됩니다. 디지털 세계는 0과 1의 세계입니다. 전기가 들어오면 1, 전기가 나가면 0입니다. 이렇게 0과 1만 가지고 의사 소통을 하는 방법을 2진법이라고 합니다. 

이 2진법을 이용해서 16진법으로 확장하고 이걸 다시 컴퓨터가 이해하는 프로그래밍 언어로 확장합니다. 
컴퓨터는 우리 인간의 명령을 프로그래밍 언어를 기계어로 변한 한 후에 최종적으로 2진법 상태로 해석한 후 그 2진법 명령을 따라서 트랜지스터 등을 이용해서 전류의 흐름을 제어해서 명령을 실현 시킵니다. 

인간의 명령을 컴퓨터와 로봇이 이해할 수 있는 이유는 인간의 언어를 번역하고 이해할 수 있기 때문이고 그 근간은 0과 1로 모든 것을 표현하는 2진법 덕분입니다. 이 이진법은 많은 정보를 빠르게 전달할 수 없습니다. 그러나 전달 속도가 빠르다면 말이 다르죠. 

폰 노이만 박사는 1936년 앨런 튜닝과 함께 컴퓨터의 아버지라고 합니다. 기계에게 인간의 말을 알아 들을 수 있게  2진법을 처리하는 CPU와 내장 기억장치와 입출력 장치를 만들었죠. 


전기라는 에너지 원을 이용해거 전기가 흐르면 1, 흐르지 않으면 0으로 구분하고 전류를 흐르고 차단하게 하는 트랜지스터를 만들고 그 트랜지스터를 여러 개 섞어서 논리 게이트를 만들어서 기계가 인간의 언어를 해독하고 그 명령을 따르게 한 것이 디지털 세계입니다. 

우리가 가지고 있는 스마트폰이나 PC는 지금도 전류의 흐름과 차단을 통해서 2진법으로 우리의 명령을 해석하고 수행하고 그 결과치를 모니터로 보여주고 있습니다. 



0도 1도 아닌 0과 1이 함께 존재하는 상태중첩(Superposition)

그런데 양자의 세상은 0과 1로 구분되지 않습니다. 위에서 슈뢰딩거의 고양이에서 말했 듯 확률로 존재하는 세상입니다. 
 고양이가 살아 있는 것도 죽은 것도 아닌 애매한 상태 즉 확률로서만 존재하는 세상입니다. 확률이 99%면 거의 죽었다고 볼 수 있지만 그렇다고 확실히 죽었다고 할 수도 없습니다. 1%라는 살 확률이 있으니까요


그래서 같기도 하는 세상이죠.  이 개념만 잡으면 양자 역학에 잘 입문하신 것입니다. 




전자라는 놈은 0이거나 


1이거나 하지 않습니다. 



그냥 0과 1이 섞여 있습니다. 관측에 따라서 0이 될 수도  1이 될 수도 있죠. 
예를 들어서 어떤 전구가 있는데 이 전구가 1초에 10번 꺼졌다 커졌다 한다고 칩시다. 너무 짧은 순간에 꺼졌다 켜지니 우리 눈으로 볼때는 그냥 켜져 있는 것으로 보입니다. 그런데 1/100초라는 깜박임 속도 보다 빠른 셔터 스피드로 사진을 연사로 촬영해 보니 어떤 사진에는 전구가 꺼져 있는 것으로 어떤 사진은 전구가 켜져 있는 것으로 찍혔습니다.

이걸 어떻게 해석해야 할까요? 양자가 그렇습니다. 관측하는 시간에 따라서 관측도구에 따라서 0으로 보였다가 1로 보였다가 합니다. 이렇게 0이면서도 1인 상태를 양자의 상태중첩(Superposition)이라고 합니다.

이 상태중첩은 좋은 점이 있습니다. 기존의 폰 노이만 방식의 0과 1를 둘 만 표기할 수 있는데 0과 1을 동시에 표현할 수 있습니다. 0이면 0, 1이면 1이어야 하는데 제어 기술에 따라서 0으로도 1로도 보일 수 있습니다. 




즉 기존의 고전 방식의 컴퓨터는 어떤 명령이 도착하면 O / X 라는 2진법으로 대답을 했습니다. 즉 명령 1개에 O/X 푯말을 가지고 있다가 O를 들었다가 X를 들었습니다. 이러다 보니 정보 처리가 느렸습니다.  반면 양자 컴퓨터의 정보 처리를 담당하는 큐비트는 O/X 표가 하나의 푯말에 다 그려져 있습니다. 동시에 여러가지 명령을 내려도 그에 맞게 O로 대답하고 X로 대답합니다.  푯말을 내리고 올릴 필요도 없이 그냥 명령에 답을 바로 합니다. 이렇게 푯말 2개를 쓰는 것이 아닌 하나로 처리할 수 있죠. 따라서 푯말을 내리고 올리는 시간을 단축할 수 있습니다. 

양자 컴퓨터는 이렇게 이 전자에 0과 1을 동시에 표현할 수 있는 양가적인 상태중첩을 이용합니다. 그리고 계산 도구로 활용하는 전자를 큐비트(Qubit)라고 합니다. 큐비트 2개가 뭉치면 00, 01, 10, 11이라는 정보를 담을 수 있는데 큐비트 2개가 뭉친 큐비트가 많아지면 정보 처리량은 기하급수적으로 늘어납니다. 





<큐비트>




근/먼 거리에 있는 양자끼리 동기화 되는 양자 얽힘(Entanglement)

양자 컴퓨터를 이해하려면 양자의 상대중첩과 함께 이 양자 얽힘을 알아야 합니다. 
양자 얽힘은 전자 같은 작은 입자들이 하나의 쌍을 이루어서 공간이 멀리 떨어진 곳에서도 하나의 입자가 변동하면 다른 쪽도 즉각적으로 변동을 합니다. 아주 신기한 현상이죠. 

마치 하나의 쌍을 이루둣  움직이는 것을 양자 얽힘이라고 합니다. 


이 양자 얽힘은 큐비트 2개를 쌍으로 만들 수 있습니다.  큐비트 2개를 엮으면 양자 얽힘이 발생할 수 있습니다. 이 양자 얽힘은 2개의 큐비트가 동기화 되어서 하나의 큐비트의 움직임에 따라서 즉각적으로 반응할 수 있습니다.

예를 들어서 A,B라는 큐비트가 양자 얽힘으로 쌍을 이룬다고 칩시다
A라는 큐비트가 1로 보이게 하면 B도 즉각적으로 1로 보입니다. 반대도 가능합니다.
A라는 큐비트가 1로 보이게 하면 B는 바로 0으로 보이게 할 수 있습니다. 즉 반대로 작동하는 것이죠. 
중요한 것은 0도 1도 아닌 큐비트가 한 순간에 확실하게 1로 보이거나 0으로 보이게 할 때 동시에 양자 얽힘 상태에 있는 큐비트가 동시에 0이나 1로 확실한 의사 표현을 할 수 있게 됩니다. 

이렇게 되면 2개의 큐비트의 양자 얽힘을 이용해서 00, 01, 10, 11를 표현할 수 있습니다. 
즉 동시에 관측 했을 때 두 큐비트가 0도 1도 아닌 흐리멍텅한 확률이 아닌 명확하게 0이나 1로 자기 의사를 표현하는 것이죠.  
큐비트 하나는 상태중첩, 큐비트가 둘이면 양자 얽힘이 작동합니다. 

이 양자 얽힘으로 이루어진 큐비트를 계속 늘리면 2의 N승으로 처리 속도가 급속도로 빨라집니다. 그래서 구글 양자 컴퓨터가 PC보다 1억배 빨리 처리할 수 있다는 것이죠. 


그러나 전자의 움직임을 제어하는 것이 쉽지 않습니다. 중력, 전자기장, 진동 등의 외부의 거시적인 물리 역학에 영향을 받아서 안됩니다. 이런 전자의 움직임을 제어하는 연구가 계속 되고 있지만 아직까지 실용적인 양자 컴퓨터는 나오고 있지 않습니다. 

구글과 나사가 함께 소개한 양자 컴퓨터도 제대로 된 양자 컴퓨터가 아니라는 소리도 많죠. 그러나 인류의 장점은 과학과 기술입니다. 언젠가는 이 모든 것을 극복하는 날이 올 것입니다. 

어렵다고요? 그냥 양자의 세상은 확률이라는 것만 아시고 넘어 가셔도 됩니다. 양자 컴퓨터 할 때 또 설명하겠습니다

썬도그
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  1. If 2016.12.22 11:09  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    상태중첩에 대해 한가지오해하시는 점이있어서 짚습니다. 전자의 운동이 빨라서 두가지 상태가 중첩되어보인다는 빨리 회전하는 선풍기 날개같은 것으로 비유하셨는데요. 상태중첩은 속도와는 상관이 없습니다. 다만 어떠한 상태를 관측자가 관측이라는 행동을 하게되면 그 상태값에 영향을 주게 되고 그렇다고 그 상태값에 영향을 주지 않으려하니 관측이 힘든, 그런 모순적인 상황을 해결하기 위해 확률이라는 개념을 가져왔습니다.

  2. 뭔가 크게 잘못.. 2019.01.20 21:52  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

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