처음 만나는 양자의 세계(2025) -채은미-

양자역학과 관련하여 내가 단편적으로 아는 지식은 뉴턴 물리학을 고전 물리학이라고 하고, 여기서 아인슈타인의 상대성이론으로 이어지다가 일반 크기에서의 물리 법칙은 뉴턴 물리학을 따르지만, 극미의 세계에서의 물리학은 뉴턴 물리학의 법칙을 벗어나고, 그 현상을 설명하기 위해서 양자역학이 탄생하게 되었다는 것입니다.

양자역학을 얘기할 때 항상 나오는 비유는 슈뢰딩거의 고양이, 하이젠베르그의 불확정성의 원리였습니다. 이에 앞서서 빛의 입자설과 파동설에 대한 실험을 모호하게 설명했었는데, 그 모든 순서가 무엇을 나타내는지 연결되어 정리가 되지는 않았습니다.

그 이전의 책들과 이 책의 다른 점은 그 순서와 이해의 맥락이 조금 더 내가 이해할 수 있는 순서에 맞춰졌다는 느낌이었습니다. 우선, 내가 이 책을 읽고 이해하게 된 것은 '빛은 입자일 수도 파동일 수도 있다.'는 것이 모든 물체에도 확대적용이 가능하다는 것입니다. 마치, 자기는 전기를 유도하고, 자기는 전기로 치환될 수 있다는 것처럼....모든 물질은 원자단위 이하에서는 파동의 성질과 입자의 성질을 가질 수 있다고 이해했습니다. <루이 드 브로이가 제안한 물질파 - 다만 질량이 커지면 파동의 성질이 옅어짐>

고전역학과 양자역학의 차이점을 제미나이에게 물었더니 이렇게나 일목요연하게 정리를 해줍니다.

 

처음에 물리학에서는 빛을 파동으로 이해했고 그래서 우주에는 파동이 이동하기 위해 필요한 매질, 에테르로 가득차 있다고 생각했다고 읽었습니다. 하지만, 빛이 파동으로서의 성질을 나타낼 때도 있고, 입자로서의 성질을 나타낼 때도 있다는 것을 실험으로 증명하면서 입자와 파동의 결정론이 아닌 확률의 문제가 되었던 것으로 생각됩니다. 이때 하이젠베르그의 불확정성의 원리와 함께 전자의 위치와 속도를 동시에 측정할 수 없다는 사실로 인해서 있을 장소에 대한 가능성을 확률로 나타내는 슈뢰딩거의 파동방정식이 나타나게 되었다고 이해했습니다.

양자역학의 이러한 확률적 세계, 불연속성을 이용한 계산 방식이 큐비트를 이용한 물질의 파동적 성질(중첩과 간섭)을 이용해서 수많은 가능성을 동시에 계산하고, 최적의 정답을 확률적으로 걸러내는 양자컴퓨터를 만들어낼 수 있는 것이라고 이해했습니다.

양자컴퓨터를 만들기 위해서는 안정적인 큐비트를 만들어서 유지해야 합니다. 이에 해당하는 몇가지 방식들이 있지만, 안정성을 위해서 극저온과 외부와의 단절 및 밀폐성이 필요합니다.

양자 컴퓨터의 계산이 일반 컴퓨터와 비교할 수 없이 빠르다는 것은 고전 비트는 : 0과 1 중의 하나만을 가질 수 있지만, 양자 큐비트는 : 0과 1을 동시에 가진 중첩의 상태를 가집니다. 이런 큐비트의 n개로 늘어나게 되면 2n의 상태를 동시에 처리할 수 있게 된다는 것입니다. 이 상태를 이용한 계산을 할때, 상쇄간섭, 보강간섭을 통해서 가장 확률이 높은 정답이 튀어나오도록 설계하는 양자 알고리즘이 가능해지는 것입니다.

그동안 이해하려고 노력할 때마다 막히던 어떤 부분을 조금은 이해할 수 있게되었다는 점에서 이 책은 도움이 되는 내용이었습니다.

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양자라는 단어 : Quantrum은 셀 수 있는 양을 의미하는 'Quantity'에서 유래. ~~~ 이는 양자 역학이 기존의 고전 역학과는 전혀 다른 방식으로 양을 세고 이해하는 학문이라는 것을 암시합니다. (P12)

입자인 줄 알았던 전자, 원자, 분자 같은 물질이 파동의 성질도 지닌다는 사실 역시 실험을 통해 입증되었습니다. 결국, 모든 물질은 입자이면서 동시에 파동인 것이지요. (P15)

어떤 입자는 여러 상태가 중첩된 상태로 존재하다가도, 우리가 그 입자를 측정하는 순간, 중첩된 여러 상태 중 하나로 확정되는 현상이 나타납니다. 이를 '파동 함수의 붕괴'라고 합니다. (P16)

양자 역학은 단지 과학의 영역을 넘어, 우리가 세상을 바라보는 방식에도 깊은 질문을 던집니다. 세상은 생각보다 덜 확정적이고, 더 많은 가능성 위에 존재한다는 사실, 그 자체가 놀랍고도 아름답지 않을까요? (P18)

카메라도 온도에 따라 변하는 흑체 복사의 양을 이용해서 물체의 온도를 측정합니다. (P27)

양자 역학은 자연이 필연적으로 불확실성을 포함하고 있다는 것을 말해 주고 있으며, 동시에 그러한 불확실성 속에서도 일정한 질서를 발견하는 것이 과학의 역할임을 깨닫게 해 주는 학문이라고 생각합니다. (P41)

양자 물리학은 우리가 보지 못하는 세계를 통해 우리가 사는 세계를 더 정확하게 이해할 수 있도록 해 줍니다. 세상의 본질을 들여다보는 일은 곧, 우리 삶의 구조를 다시 바라보게 만드는 일입니다. 작고 낯선 세계를 이해하려는 그 노력 속에 인간의 끝없는 호기심과 가능성이 숨어 있습니다. (P107)

-그림(처음 만나는 양자의 세계 : 큐비트의 필수 조건  P152)-

양자 오류 정정 : 큐비트는 극저온, 미세한 진동, 약한 전자기파 등에도 영향을 받아 상태가 뒤바뀌거나 정보가 사라질 수 있습니다. (P160)

기술 발전에 따라 큐비트 수와 연산 정확도는 꾸준히 향상되고 있으며, 오류 수정 기술과 상용화 인프라도 빠르게 성장하고 있습니다. 특히, 긴 결맞음 시간과 높은 신뢰성 그리고 뛰어난 연결성은 이온 트랩이 앞으로 양자 컴퓨팅 시장에서 중요한 축을 담당하게 할 가능성을 높입니다. 초전도 큐비트, 중성원자 큐비트와 경쟁 ~~~ (P195)

비트코인은 안전한 거래와 네트워크 신뢰성을 유지하기 위해 여러 암호기술을 사용합니다. ~~~ 핵심이 되는 2가지는 타원곡선 디지털 서명 알고리즘(=ECDSA)과 SHA-256 해시 함수입니다. (P228)

신약 개발의 성공률을 높이고, 친환경 고효율 배터리와 신소재 개발을 앞당기며, 실험 비용과 시간을 획기적으로 줄이는 혁신으로 이어질 것입니다. 궁극적으로 양자 컴퓨터는 자연계의 복잡한 현상을 인간이 원하는 대로 예측하고 설계할 수 있는, 말 그대로 '디지털 실험실'로 자리 잡게 될 것입니다. (P253)

혁명은 언제나 '가능성과 한계의 경계선'에서 시작되었습니다. (P266)