"유럽 진출과 중동 진출을 동시에 노릴 수 있는 기회의 땅, 튀르키예"

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이번 주는 조금(?) 복잡한 주제를 다룬 책을 소개해드립니다. ‘세상을 바꿀 기술 양자컴퓨터의 모든 것’이라는 부제가 붙은 이순칠 카이스트 물리학과 교수의 “퀀텀의 세계”입니다.  

양자컴퓨팅을 이해하려면 기본적인 양자물리학을 알아야 합니다. 책의 전반부에 해당하는 1부와 2부는 양자물리학의 기본적 지식들을 다룹니다. 1부의 시작은 "양자물리는 이해가 되지 않는다"인데, 이는 리처드 파인먼같은 뛰어난 물리학자들도 양자물리를 완전히 이해하지 못한다고 한 말을 인용한 것입니다. 저자는 ‘아는 것’과 ‘이해하는 것’은 완전히 다른 일이며, 양자물리는 사실의 ‘앎’의 영역이지 사실의 ‘이해’ 영역이 아니라고 설명합니다. 여기서 ‘이해한다’는 것은 자신의 경험과 연관하여 현상을 설명할 수 있다는 의미입니다. 양자물리가 다루는 세계는 경험불가의 세계이므로 이러한 ‘이해불가’가 양자물리를 다루는 기본태도이기도 합니다. 이 ‘이해되지 않는다’는 점을 이해한다면 양자물리학을 이해했다고 말해도 무방할 것입니다. 

책 전반부에서 설명하는 양자물리의 핵심 내용을 간략하게 말씀드리면, 1. 모든 것은 입자이면서 파동이다. 2. 물체는 중첩 상태 또는 고유 상태에 있다. 3. 중첩 상태를 측정하면 하나의 고유 상태만 남고 나머지는 사라진다. 4. 어느 고유 상태가 남는지는 무작위로 결정된다. 5. 한 고유 상태가 측정될 확률은 물질파의 진폭의 제곱에 비례한다. 정도입니다. 이해하는 게 아니라 아는 것이라고 말씀드렸습니다.  

2부는 양자컴퓨터의 밑바탕이 되는 양자역학적 ‘얽힘’ 현상에 대해 할애되어 있습니다. 입자 여러 개의 상태가 중첩되어 있을 때 그 입자들이 ‘얽혀 있다’고 하는데, 양자 컴퓨터가 일반 컴퓨터보다 혁신적으로 빠른 이유가 된다고 합니다. 일반 컴퓨터가 0과 1 중 하나의 값만 가지는 ‘비트’를 이용하는 것과 달리, 양자컴퓨터는 0과 1뿐만 아니라 이들의 중첩 값도 가질 수 있는 ‘큐빗’을 이용하기 때문입니다. 큐빗을 이용하면 연산속도가 훨씬 빠를 뿐아니라, 큐빗이 증가할 때마다 속도가 지수적으로 증가합니다. 이를 테면 10큐빗짜리 양자컴퓨터는 2의 10승인 1024개의 데이터를 병렬 처리할 수 있습니다.  

책의 후반부는 본격적으로 양자컴퓨터가 등장한 배경과 작동 원리 등을 설명합니다. 양자컴퓨터는 1980년 폴 베니오프의 개념 제시로 시작합니다. 리차드 파인먼, 찰스 베넷, 피터 쇼어 등의 이름이 등장하면서 양자컴퓨터와 함께, 양자 암호통신과 양자 원격 이동 기술, 양자 알고리즘 등이 발표됩니다.  

1997년 2비트 양자 컴퓨터가 선보이면서 개념이 아닌 실물컴퓨터가 본격 등장합니다. 2010년 20비트, 2020년에는 70비트 양자 컴퓨터 CPU가 개발되었습니다. 2010년대부터 IBM, 구글, 인텔, 마이크로소프트 등 글로벌 대기업들이 양자 컴퓨터 연구에 뛰어들어 큐빗을 늘리기 위해 노력하고 있습니다. 완벽한 실용적 양자 컴퓨터가 나올 때까지 현재 만들어진 양자 컴퓨터로 할 수 있는 일에 대한 응용 연구도 진행 중입니다. 50에서 100개의 큐빗을 가진 양자 컴퓨터는 화학 촉매 개발, 양자 인공지능, 새로운 암호 체계 개발 등에 사용될 수 있습니다. 

이 책의 미덕은 복잡한 수식이 아닌 탁월한 비유를 통해 복잡한 양자물리세계를 설명하고 있다는 점입니다. 이를테면 피아노의 화음과 비교하여 양자의 중첩 현상의 특성을 설명하는 장면은 감탄을 금치 못하게 합니다. ‘퀀텀 점프’(책에서도 이 현상을 설명합니다)라는 말이 일상 용어로 사용될 만큼 어쩌면 양자컴퓨터의 미래는 바짝 다가와 있습니다. 무의식중에 ‘끙’ 소리가 터져나와도 책을 덮지 않고 끝까지 읽어봐야 할 이유입니다.