[마이리뷰] 양자컴퓨터의 미래

양자컴퓨터의 미래 - 양자컴퓨터 혁명은 세상을 어떻게 바꿀 것인가
미치오 카쿠 지음, 박병철 옮김 / 김영사 / 2023년 12월

13장. 영생
노화 : 열역학 제2법칙 ,닫힌계에서는 시간이 흐를수록 엔트로피가 상항 증가한다.
-> 지구는 열린계이다. 열역학 제2법칙을 위배하지 않으니 영생이 가능하지 않을까?

<열역학 제2법칙>
이제 현대물리학을 이용하여, 고대인이 추구했던 영생을 현대적 관점에서 다시 생각해보자. 노화의 물리적 원인은 열역학 법칙으로 설명할 수 있다. 

열의 특성을 다루는 열역학에는 기본적으로 세 가지 법칙이 존재하는데, 그중 제1법칙은 에너지의 총량이 변하지 않는다는 에너지보존법칙이다. 일상적인 용어로 쓰면 ‘무에서 유를 창조할 수없다‘는 뜻이다. 

제2법칙에 의하면 닫힌계(외부와 에너지를 교환하지 않는 물리계)는 시간이 흐를수록 더욱 무질서해지거나 쇠퇴하고, 제3법칙에 의하면 어떤 경우에도 절대온도는 OK에 도달할 수 없다.

이들 중 우리의 삶을 지배하는 것은 두 번째 법칙이다. 이 법칙에의하면 모든 만물은 시간이 흐를수록 녹슬고 분해되고 망가지다가결국은 죽게 된다. 이는 곧 계의 혼돈스러운 정도(무질서도)를 나타내는 척도인 엔트로피가 항상 증가한다는 뜻이기도 하다. 
물리법칙이
‘모든 만물은 분해되어 사라진다‘고 못을 박아놓았으니, 불멸이나 영생은 애초부터 불가능한 목표였다. 물리학 법정은 지구의 모든 생명체에게 이미 사형선고를 내린 것 같다.

그러나 제2법칙에는 빠져나갈 수 있는 구멍이 있다. ‘만물은 시간이 흐를수록 붕괴된다‘는 것은 닫힌계에 한하여 적용되는 법칙이며외부와 에너지 교환이 허용된 열린계에서는 시간이 흘러도 무질서도가 증가하지 않거나 아예 감소할 수도 있다.

예를 들어 갓난아기와 같은 새로운 생명체가 태어날 때마다 엔트로피는 감소한다. 생명이란 모든 원자와 분자가 고도로 정교하게 배열된 ‘질서의 집합체‘이기 때문이다. 그렇다면 생명현상은 제2법칙을 위반하는 것처럼 보인다. 정말 그럴까? 아니다. 제2법칙은 닫힌계에만적용되는데, 지구는 멀리 떨어진 태양에서 장거리 배달된 에너지 덕분에 유지되고 있으므로 닫힌계가 아니다. 따라서 지구의 엔트로피는무조건 증가하지 않으며, 경우에 따라 국지적으로 감소할 수도 있다.

그러므로 지구의 생명체는 영생을 누려도 열역학 제2법칙에 위배되지 않는다. 에너지가 외부에서 유입되는 한, 이것은 분명한 사실이다. 그리고 우리의 경우 그 외부 에너지원은 다름 아닌 태양이다. - P269

4장. 양자컴퓨터의 여명기 파인만은 빛과 전자의 상...

4장. 양자컴퓨터의 여명기

파인만은 빛과 전자의 상화작용을 상대론적으로 설명한 최고의 물리학자이다. 이것이 양자전기역학(QED)인데, 이론과 실험의 차이가 100억분의 1을 넘지 않는다.

<양자적 경로합>

파인먼은 최소작용원리에 입각하여 양자역학을 처음부터 다시 써내려갔다. 이 원리에 의하면 입자는 모든 가능한 경로를 ‘동시에 탐색한다. 그런데 개개의 경로에 작용 및 플랑크상수와 관련된 가중치를부여해서 모두 더해보니(즉, 적분해보니) 놀랍게도 기존의 양자역학과 동일한 결과가 얻어졌다. 이것이 파인먼의 경로적분 접근법 path integral approch이다.
(중략)

파인먼의 경로적분법으로 슈뢰딩거 방정식을 유도했을 뿐만 아니라, 그 안에 양자역학의 ‘모든‘ 내용을 요약할 수 있었다. 슈뢰딩거가 마술처럼 파동방정식을 유도한 지 수십 년 만에 파임먼이 경로적분법을 이용하여 방정식을 포함한 양자역학의 모든 것을 하나로 통하한 것이다. - P97

<양자이론 요약>
양자컴퓨터를 가능하게 만든 양자이론의 기이한 특성은 다음 네가지 항목으로 요약할 수 있다.

1. 중첩
: 모든 물체는 누군가에게 관측되기 전까지 여러 개의 가능한 상태에
‘동시에‘ 존재한다. 즉, 하나의 전자는 이곳과 저곳에 동시에 존재할수 있다. 이 특성을 컴퓨터에 응용하면 계산을 수행할 수 있는 상태의수가 많기 때문에 엄청난 연산 능력을 발휘할 수 있다.

2. 얽힘
: 양자적으로 얽힌 관계에 있는 두 입자는 둘 사이의 거리가 아무리 멀어져도 상대방에게 영향을 줄 수 있으며, 이 영향은 ‘즉각적으로‘
전달된다. 그래서 양자컴퓨터는 큐비트가 많을수록 상호작용이 기하급수적으로 늘어나고 성능도 그와 비슷한 비율로 빠르게 향상된다.

3. 경로합
: 입자가 두 지점 사이를 이동할 때에는 두 점 사이를 연결하는 모든가능한 경로를 동시에 지나간다. 각 경로에는 확률이 가중치처럼 할당되어 있는데, 이들 중 확률이 가장 높은 것은 고전역학의 해답에 해당하는 경로이다. 그러나 확률이 아무리 낮은 경로라 해도 이들까지모두 더해야 정확한 최종확률을 구할 수 있다. 이는 곧 확률이 지극히낮은 경로도 현실이 될 수 있음을 의미한다. 척박했던 지구에 생명이창조된 것도 확률이 매우 낮은 분자의 경로가 현실세계에 구현되었기 때문일 것이다.

4. 터널효과
: 일반적으로 입자는 높은 에너지 장벽을 통과하지 못한다. 그러나양자역학에서 입자는 높은 장벽을 통과할 수 있다. 이 확률은 장벽이높을수록 0에 가까워지지만, 어쨌거나 0은 아니다(이것은 입자가 벽을뚫어서 벽에 흠집을 내는 것이 아니라, 벽에 아무런 손상도 입히지 않고 통과하는 현상이다-옮긴이). 생명 활동에 필수적인 복잡한 화학반응이 상온에서 자연스럽게 일어나는 것은 바로 이 터널효과 덕분일 것으로 추정된다. - P112

3장. 떠오르는 양자 (뉴턴의 결정론 : 고전 물...

3장. 떠오르는 양자

(뉴턴의 결정론 : 고전 물리학)
뉴턴 역학에 의하면 우주는 태엽이 풀이면서 잗동하는 거대한 시계와 비슷했다. 조물주가 우주를 창조하면서 태엽을 감아놓았고, 뉴턴은 태엽이 풀릴 때 작동하는 원리를 발견했다.

(플랭크의 양자 개념)
뉴턴과 맥스월의 이론을 적용하면 뜨거운 물체에서 방출된 빛의 진동수과 강도를 계산할 수 있다.....
그런데 막상 계산을 해보니 재앙과 같은 결과가 얻어졌다. 뜨거운 물체에서 방출된 에너지가 높은 진동수에서 거의 무한대로 나온 것이다. 현실세계에서는 이런 일이 절대로 일어날 수 없기에, 물리학자들은 이 결과를 ‘레일리-진스파탄Rayleigh-Jeans catastrophe‘이라 불렀다. 이것은 뉴턴역학 어딘가에 심각한 문제가 있음을 알려주는 적신호임이 분명했다.

어느 날, 플랑크는 물리학 강의 준비를 위해 레일리-진스파탄을직접 계산해보던 중 엉뚱하면서도 기발한 아이디어를 떠올렸다.

 원자에서 방출되는 에너지가 연속적인 양이 아니라 ‘양자quanta‘라는 작은덩어리 단위로 방출된다고 가정한 것이다. 

물론 이것은 에너지를 연속체로 간주한 뉴턴의 물리학에 위배되는 가정이었다. 그러나 에너지가 양자 덩어리라는 가정하에 계산을 해보니, 실험에서 얻은 온도-빛에너지 그래프가 정확하게 재현되었다.
양자의 개념이 드디어 탄생한 것이다.

<양자이론 탄생> 아인슈타인-빛의 이중성,슈뢰딩거-파동방정식
독자들도 잘 알다시피, 그 청년의 이름은 알베르트 아인슈타인이다. 그는 플랑크의 양자가설에 기초하여 빛에너지는 작은 덩어리(양자) 단위로 전달되기 때문에 금속 표면의 전자를 외부로 이탈시킬 수있다고 주장했다.

(빛의 이중성 : 입자 , 파동-간섭형상)
여기서 탄생한 것이 ‘빛의 이중성‘이라는 개념이다. 즉, 빚은 광자photon라는 입자처럼 행동할 수도 있고, 광학에서 말하는 파동처럼 행동할 수도 있다. 그 이유는 확실치 않지만, 어쨌거나 빛은 두 가지 특성을 모두 갖고 있다.
(고전적인 물체의 거동은 뉴턴의 운동 방정식 F=ma, 물지파의 거동을 좌우하는 슈뢰딩거의 파동방정식, 양자 물리학의 기초)

(슈뢰딩거의 파동방정식)
파동방정식으로 계산된 공명 진동수는 실제 공명 진동수와 정확하게 일대일 대응된다.
(p65)
생명을 포함한 우주 만물의 구성요소를 단 하나의 방정식으로 설명 할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이 아닐 수 없다. 덕분에 그 끝을 알 길이 없던 우주가 갑자기 단순해졌고, 물리학과 화학은 거의 하나의 분야로 통합되었다.(p.67) - P61

<확률파동>
독일의 물리학자 막스 보른이 물질은 입자로 이루어져 있지만 ‘ 그 입자가 발견될 확률은 파동으로 주어진다.‘고 주장함으로써 물리학자들을 당혹스럽게 만들었다.
(중략)
하이젠베르크는 여기서 한 걸음 더 나아가 측정 장비가 제 아무리 완벽해도 입자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 정확하게 알아내는 것은 원리적으로 불가능하다는 ‘불확정성의 원리‘릏 발표하여 반대론자들의 심시를 더욱 불편하게 만들었다.
(중략)
양자컴퓨터가 가능한 것은..... 전자의 상태가 다양한 양자상태의 합(중첩)으로 서술되기 때문에, 양자컴퓨터가 막강한 계산 능력을 발휘하는 것이다.(p.69) - P68

<얽힘>
두 물체가 결맞음 상태에 있으면(동일한 패턴으로 진동하면) 둘 사이의 거리가 아무리 멀어져도 그 상태를 유지할 수 있다. 요즘 물리학자들은 이 현상을 ‘얽힘entanglement‘이라는 용어로 부른다.

바로 이것이 양자컴퓨터의 핵심원리이다. 서로 얽혀 있는 큐비트는거리가 멀어져도 상호작용을 할 수 있으며, 이로부터 막강한 계산 능력이 발휘된다.

비유하자면, 일상적인 디지털 컴퓨터는 여러 명의 회계사들이 독립적으로 일하는 사무실과 같다. 이들은 완전히 고립된 상태에서 각자 자신에게 할당된 계산을 수행한 후 결과를 순차적으로 넘겨준다.

그러나 양자컴퓨터는 방 안을 가득 메운 회계사들이 수시로 상호작용을 하면서 동시에 계산을 수행하고, 얽힘을 통해 정보를 교환한다.

즉, 양자컴퓨터는 결맞음 상태에서 주어진 문제를 함께 해결하고 있더 - P81

2장. 디지털 시대의 종말

2장. 디지털 시대의 종말

<전쟁과 컴퓨터>
(튜링 : 제2차세계대전 독일 나치의 암호화 머신 애니그마Enigma 암호 해독성공)
튜링과 그의 동료들은 전시의 엄청난 압박 속에서 1942년에 드디어 에니그마 암호를 해독하는 데 성공했다. 그 덕분에 영국군은 대서양을 휘젓고 다니는 나치의 함대에 효율적으로 대응할 수 있었고, 나치사령부에 깊숙이 침투하여 비밀계획을 미리 알아낼 수도 있게 되었다. 콜로서스 프로젝트는 노르망디 상륙작전이 개시되기 직전인1944년에 완료되어 독일군의 준비가 허술한 곳을 골라 침투하는 데결정적인 도움을 주었으며, 상륙작전이 성공한 후로 나치 제국은 물락의 길을 걷게 된다.
이 모든 이야기는 2014년에 개봉한 영화 <이미테이션 게임>의 모티브가 되었다. 블레츨리 암호해독팀의 헌신적인 노력이 없었다면제2차 세계대전은 몇 년간 더 계속되면서 숱한 희생자를 낳았을 것이다. 역사학자 해리 힌슬리는 튜링을 비롯한 블레츨리 연구팀 덕분에전쟁이 2년 이상 단축되었으며, 1400만 명이 넘는 목숨을 구한 것으로 평가했다. 이들 덕분에 수많은 양민이 전쟁에서 살아남을 수 있었고 자칫하면 히틀러의 손아귀에 떨어질 뻔했던 유럽이 지금과 같은국경을 갖게 된 것이다.

미국에서 원자폭탄 개발에 참여했던 사람들은 전쟁이 끝난 후 영웅대접을 받았지만, 영국의 튜링에게는 전혀 다른 운명이 기다리고 있었다. 영국 정부가 국가 기밀법에 의거하여 그의 업적을 수십 년 동안공개하지 않았기 때문에, 사람들은 전쟁 기간 동안 튜링이 어디서 무슨 일을 했는지 전혀 모르고 있었다. - P52

<튜링과 인공지능의 탄생>
(튜링테스트 ‘이미테이션 게임‘ : ‘조작적 정의(operational definition‘ ,튜링이 지능을 정의한 방식도 이와 동일)

(튜링의 불행) 이 잔인한치료(화학정 거세)를 받기 시작한 지 1년쯤 지난 어느 날, 튜링은 자택에서 숨진 채발견되었다. 사망원인은 시안화물(청산가리) 중독이었는데, 반쯤 먹고남은 사과가 침대 옆에서 발견된 것으로 보아 사과에 청산가리를 주입한 후 베어먹은 것으로 추정된다.

현대 컴퓨터의 창시자이자 나치와 파시즘을 물리치고 수백만의 생명을 구한 영웅이 자신의 조국에 의해 파멸을 맞이했다는 것은 정말로 비극이 아닐 수 없다.
튜링이 남긴 유산은 지금도 지구 전역에 걸쳐 생생하게 살아 있다.
지구인의 삶을 송두리째 바꾼 컴퓨터의 모체가 바로 튜링머신이기때문이다. 세계 경제가 튜링의 선구적인 업적에 말로 표현할 수 없을정도로 큰 빚을 지고 있는 셈이다.
- P54

1장. 실리콘 시대의 종말

1장. 실리콘 시대의 종말

<얀자컴퓨터의 위력>
원리적으로 모든 컴퓨터는 0과 1의 배열로 이루어진 정보에 기조하소 있다.
(중략)

그러나 노벨상 수상자인 리처드 파인먼은 디지털 정보에 대한 새로운 접근 방식을 제안했다. 그는 1959년에 <바닥에는 아직도 여유 공간이 많이 남아 있다There‘s Plenty of Room at the Bottom>라는 제목으로출간한 에세이에서 다음과 같은 질문을 제기했다. 0과 1로 이루어진수열을 원자의 상태로 대체하면 원자 규모의 컴퓨터를 만들 수 있지않을까? 트랜지스터를 가장 작은 물체(원자)로 바꾸면 컴퓨터의 크기가 혁신적으로 줄어들지 않겠는가?

(원자)
원자는 자전하는 팽이와 비슷해서 자기장을 걸어주면 위 또는 아래down로 정렬한다(자전 방향이 반시계방향이면 up, 시계방향이면down이다. 또는 그 반대로 정의할 수도 있다. 이렇게 up down으로 정의되는 상태를 원자의 스핀spin이라 한다-옮긴이). 이때 up을 0. down을 1에 대웅시키면 컴퓨터의 비트와 동일한 역할을 수행할 수 있다. 디지털컴퓨터의 성능은 그 안에 들어 있는 상태의 수(0 또는 1의 수)와 밀접하게 관련되어 있다.

그러나 원자의 세계는 인간계와 달리 참으로 희한한 세계여서, 원자는 두 방향의 조합으로 자전할 수 있다. 예를 들어 어떤 원자는 주어진 시간의 10퍼센트 동안 up이고 90퍼센트는 down이며, 또 어떤원자는 65퍼센트가 up 이고 35퍼센트는 down일 수도 있다. 

(큐비트)
실제로원자가 자전하는 방법(즉, 원자가 가질 수 있는 스핀 값)은 무수히 많으며, 따라서 원자가 놓일 수 있는 상태도 무수히 많다. 이는 곧 원자가0이나 1로 결정된 비트뿐만 아니라, 0과 1의 중간상태(up과 downl혼합된 상태)인 ‘큐비트qubit‘(양자비트)의 형태로 정보를 저장할 수 있음을 의미한다.

(큐비트 특징 : 중첩, 얿힘, 상호작용)
 디지털 비트는 한 번에 단 1개의 정보밖에 운반할 수없어서 연산 능력에 뚜렷한 한계가 있지만, 큐비트의 연산 능력은 거의 무한대에 가깝다. 원자 규모에서 물리적 객체가 여러 개의 상태에 동시에 존재하는 현상을 ‘중첩superposition‘이라 한다
(그래서 원자세계에는 일상적인 상식이 통하지 않는다. 냉장고 같은 거시적 물체는오직 하나의 위치만을 갖지만, 원자 규모에서 전자는 ‘이곳‘과 ‘저곳‘에 동시에 존재할 수 있다).

또한 하나의 디지털 비트는 다른 비트에 영향을 줄 수 없지만, 큐비트는 상대방과 상호작용을 교환할 수 있다. 
이것을 물리학 용어로 ‘얽힘entanglement‘이라 한다.
(중략)
큐비트 집단에 새로운 큐비트를 추가하면 새로 유입된 큐비트가 기존의 모든 큐비트와 산호작용을 교환하므로 가능한 상호작용의 수가 거의 두 배로 늘어난다. 따라서 양자컴퓨터는 디지털 컴퓨터보다 강력할 수밖에 없다.
- P22

<지구 먹여 살리기>
(질소고정)
양자컴퓨터는 마냥 증가하는 세계 인구의 식량문제를 해결하는 데에도 중요한 역할을 할 수 있다. 일부 박테리아는 공기 중에서 질소를 취하여 암모니아(NH)로 변환하고 있는데, 이로부터 식물의 성장에 필요한 영양분이 생성되는 과정을 ‘질소고정nitrogen fixing‘이라 한다. 지구에 인간을 비롯한 동물이 살아갈 수 있는 이유는 곳곳에 식물이 무성하게 자라기 때문이며, 식물이 무성한 이유는 어디선가 질소고정이 끊임없이 진행되고 있기 때문이다. 
개발도상국의 식량문제를 해결한 녹색혁명Green Revolution (20세기 중후반에 식량 생산을 늘리는데 기여한 일련의 사건-옮긴이)은 화학자들이 하버 보슈법Harber-Boschprocess(암모니아를 인공적으로 합성하는 공법 - 옮긴이)을 발견하면서 시작되었다. 그러나 세상에 공짜는 없다. 하버보슈법은 ‘에너지 먹는하마‘여서, 전 세계 에너지 생산량의 2퍼센트를 소비한다. 생각해보면 참 아이러니하다. 인간이 질소를 고정하려면 막대한 에너지가 필요한데, 박테리아는 이 엄청난 일을 너무도 쉽게 하고 있지 않은가.

여기서 다음과 같은 질문이 떠오른다. 양자컴퓨터로 비료의 생산효율을 높이면 제2의 녹색혁명이 일어날 수도 있지 않을까? 
(중략)
마이크로소프트의 과학자들은 양자컴퓨터를 이용하여 비료의 생산량을 늘리고 질소고정의 비밀을 푸는 연구를 진행하고 있다. 양자컴퓨터가 ‘인류문명의 구원자‘로서 첫발을 내딛은 것이다. 

(광합성 : 양자적 과정)
질소고정외에 자연에서 일어나는 또 하나의 기적으로 ‘광합성‘을 들 수 있다.
이 과정에서 햇빛과 이산화탄소가 산소와 포도당으로 변하여, 식물을섭취하는 모든 동물에게 생명에너지를 공급한다. 광합성이 중단되면그 즉시 먹이사슬이 붕괴되고, 지구의 생명체는 순식간에 멸종할 것이다.
과학자들은 지난 수십 년 동안 각고의 노력 끝에 광합성의 모든 단계를 분자 단위로 낱낱이 분해하는 데 성공했다. 

요즘 학생들은 광합성의 원리를 화학 시간에 배우고 있지만, 사실 빛이 당으로 바뀌는 것은 분자 내부에서 진행되는 양자적 과정이다. 이 모든 것을 컴퓨터로시뮬레이션할 수 있다면 참 좋을 텐데, 계산량이 너무 많아서 디지털컴퓨터로는 꿈도 꾸지 못했다. 광합성을 인공적으로 수행하면 천연광합성보다 훨씬 높은 효율로 영양분을 생산하여 다가올 식량문제를 해결할 수 있다. 이 꿈같은 일을 실현해줄 후보가 바로 양자컴퓨터이다.
양자컴퓨터가 있으면 광합성의 효율을 높이거나, 태양에너지를 활용하는 새로운 방법이 개발될지도 모른다. 식량문제의 미래는 양자컴퓨터의 성공 여부에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. - P31