양자역학은 아인슈타인이라는 이름이랑 함께 많이 들어는 보았다. 알고 보니 아인슈타인은 양자역학을 무지 싫어했다고 한다. 나는 양자의 양이 both란 뜻인지 알았는데, 질과 양에서의 양(量)이라는 말이었다.
양자(量子, 영어: quantum, 복수형 quanta)는 물리학에서 상호작용과 관련된 모든 물리적 독립체의 최소단위이다. 양자 개념은 물리학자들에게 미시세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조의 일부로 여겨진다.
미시세계의 특성을 설명하고 이해하기 위한 근본 골조라니, 어쩌면 양자의 개념은 나의 복잡함을 설명할 수도 있지 않을까. 양자역학은 어떤 물체가 동시에 서로 다른 상태에 있는 것을 허용한다. 양자역학의 세계에서 나는 허용 받을 수 있겠다는 생각이 굳혀진다. 과학은 현실보다 더욱 인간적이구나.
양자의 대표적인 예로 빛(광자), 전자 등이 있다. 양자는 길이, 에너지, 운동량처럼 단위가 부드럽게 이어지지 않고 더이상 쪼갤 수 없다는 뜻도 담고 있다. 이런 양자의 혼란스러운 상태를 ‘하이젠베르크의 불확정성의 원리’ 라고 한다. 이름은 참 많이 들어봤는데, 주워 듣기만 했기 때문에 내용은 잘 모른다. 이참에 알아보자.
불확정성 원리(不確定性原理, uncertainty principle)는 양자 역학에서 두 개의 관측가능량(observable)을 동시에 측정할 때, 둘 사이의 정확도에는 물리적 한계가 있다는 원리다. 불확정성 원리는 양자역학에 대한 추가적인 가정이 아니고 양자역학의 통계적 해석으로부터 얻어진 근본적인 결과이다.
먼저 불확정성의 원리는 교환이 불가능한 두 개의 관측가능량을 측정할 때, 둘을 정확히 측정하기에는 한계가 있다는 말이다. 이를 조금 더 좁힌 개념으로 살펴보자.
하이젠베르크의 불확정성 원리는 위치-운동량에 대한 불확정성 원리이며, 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 측정할 수 없다는 것을 뜻한다. 위치가 정확하게 측정될수록 운동량의 퍼짐(또는 불확정도)은 커지게 되고 반대로 운동량이 정확하게 측정될수록 위치의 불확정도는 커지게 된다.
위치를 정확히 측정하려하면 운동량이 불확정도가 커지고, 운동량을 정확하게 측정하려 하면 위치의 불확정도가 커진다. 정말 통찰력있는 발견이다.
누군가 내가 누구인지, 내가 뭐하는 사람인지 물었을 때, 나의 좌표를 정확히 찍어(위치) 설명하려고 하면, ‘내가 해왔던, 하고 있는, 하려고 하는’ 많은 이야기들(운동량)에 대한 정확도는 낮아진다. 그래서 ‘직업이 뭐에요?’ 라고 물으면 나는 굉장히 생각이 많아진다. 직업을 ‘일을 통해 돈은 버는 일’이라고 정의한다고 해도, 이것저것 해왔으며, 이것저것 하고 있고, 이것저것 할 것이다. 그렇다고 ‘뭐하는 분이세요? 하고 묻는다해도 이것저것 해왔으며, 이것저것 하고 있고, 이것저것 할 것이기 때문이다.
양자역학에서는 하나를 고정하여 측정하는 순간, 다른 하나는 정확하게 측정될 수 없음을 인정해주고 있다. 아인슈타인이 왜 머리를 쥐어뜯었을까 이해가 되는 대목이지만, 나한테는 정말 안도감을 준다.
양자의 혼란스러운 상태를 설명하는 것이 바로 ‘하이젠베르크의 불확정성의 원리’이다. 전자의 움직임이 이 원리를 따른다. 원자 핵주위를 도는 전자가 ‘동에 번쩍, 서에 번쩍’ 하는 상태를 떠올리면 된다.
이럴 줄 알았으면 ‘전자과’를 갈 걸, 이런 홍길동 같은 매력이 전자라는 걸 알았다면 말이다.
양자역학을 컴퓨터로 구현한 것이 양자 컴퓨터다. 디지털컴퓨터는 ‘비트'(0 아니면 1), 양자컴퓨터는 큐비트(0일 수도, 1일 수도 있는)를 기본 연산 단위로 한다. 양자 컴퓨터는 ‘중첩’상태를 구현할 수 있다. 큐비트 하나가 변하면 다른 큐비트에 영향을 미치는 ‘얽힘’도 양자컴퓨터를 설명하는 주요 원리 중 하나다.
예전부터 0아니면 1만 얘기 했던 흑백논리같은 이진법과, 비트를 기본으로 하는 컴퓨터의 세계가 무척 싫었지만 때로는 이것 아니면 저것이라는 결론을 던져주던 그 세계를 무척 동경하기도 했다. 하지만 ‘내가 0도 1도 아닌 어떤 상태’라는 것을 깨달았을 때, 난 정말 이 세상의 낙오자가 된 기분이었다.
그러나 세상이 바뀌었다. (feat. 시대를 너무 앞서 갔던 양준일, 다시 발굴 되었잖아요?), 순다르 피차이 구글 CEO는 지난 10월 구글이 현존하는 최고 성능의 슈퍼컴퓨터로 1만 년 걸릴 계산을 자사의 54큐비트 양자컴퓨터 ‘시커모어’가 200초 만에 해냈다고 밝혔다.
*참고영상: Demonstrating Quantum Supremacy
양자컴퓨터 개발을 끝낸 IBM은 상용화를 앞두고 있다. 양자컴퓨터는 디지털컴퓨터가 지배하는 전자산업의 판도를 바꿀 신기술로 주목받고 있다. 이것저것 해왔던 나의 전자같은 삶도 언젠간 상용화되어 쓰일 날이 있겠지. 토닥토닥
문제는 큐비트 상태를 유지하는 게 만만찮다는 점이다.
<참고자료>
이달의 신기술, 2019년 12월호, 1만 년 걸릴 계산, 200초면 끝…양자컴퓨터가 ‘창’이면 양자암호통신은 ‘방패’
위키백과 ‘양자’, ‘불확정성의 원리’
나무위키 ‘불확정성의 원리’
오인제오 이Eunseo Yi 