양자컴퓨터 시대의 양자 교양 - 문과생도 이해하는 가장 다정한 양자 안내서(딥 인사이트 시리즈 3)

양자역학을 모르면 다가올 10년을 대비할 수 없다!

수식 없이, 비유 없이 알아보는 AI 시대의 핵심 교양

반도체 소재·부품 기업에서 신사업을 담당하는 저자가, 문과생의 시선으로 풀어낸 다정한 양자 안내서다. 양자역학은 어렵게 느껴지지만 이미 우리 생활의 일부다. 스마트폰, 내비게이션부터 MRI 등의 의료기까지 양자 과학이 촘촘히 박혀 있다. 그리고 이제 국제 패권의 판도를 바꿀 양자컴퓨터의 시대가 온다. 지금 컴퓨터로는 몇백 년이 걸릴 연산을 몇 초에 해결한다는 양자컴퓨터는 세계 암호화 체계를 송두리째 흔들 것이다.

『양자컴퓨터 시대의 양자 교양』은 낯선 수식과 애매한 비유 없이 직관적으로 양자의 세계를 안내한다. 독자가 어려워하는 지점을 똑같이 경험했던 저자가 섬세하게 양자역학과 양자컴퓨터의 개념을 탐구하고 어떤 것들을 준비해야 하는지 짚어낸다.

이 책은 세 가지 핵심을 담고 있다. 첫째, 양자역학과 양자컴퓨터의 기초 개념을 탐구한다. 둘째, 양자 기술이 어떻게 국제 사회의 패권과 산업 흐름을 바꿀 수 있는지 조망한다. 셋째, 인간의 사고방식에 양자역학이 어떤 전환을 일으켰는지를 안내한다. 맥락과 이해로 다정하게 양자 세계를 안내하는 이 책은 좀처럼 친해지지 않았던 양자 과학을 AI 시대의 교양으로 익히게 해줄 것이다.

[목 차]
  

프롤로그┃양자 시대를 위한 최소한의 교양

 

Part 1_ 현묘한 양자역학

 

I. 양자의 매혹: 21세기를 사로잡은 미시 세계의 마법

ㆍ 이성과 직관 사이의 현묘한 춤, 양자역학과의 만남

ㆍ 그 자체로도 신비하고 인간적인 모습의 양자

ㆍ 양자 기술, 미래에 대한 거대한 기대와 희망

ㆍ 새로운 인문·사회과학 이야기, 양자 담론

ㆍ 양자역학, 선택이 아닌 필수가 된 시대

 

II. 빛과 물질의 이중생활: 양자역학의 수수께끼

ㆍ 상식을 뒤엎는 미시 세계의 반란

ㆍ 양자역학의 핵심은 무엇인가?

ㆍ 물리학의 가장 작고 강력한 혁명 ‘양자’, 무슨 뜻인가?

ㆍ 신성하고 위대한 그리고 친숙한 존재, ‘빛’

ㆍ 파동인가 입자인가, 아인슈타인이 밝힌 빛의 이중성

ㆍ 물질도 파동이다, 드 브로이의 대담한 가설

 

III. 코펜하겐에서 시작된 양자 혁명: 새로운 세계관의 탄생

ㆍ 합리적이고 과학적이지만은 않은 과학 패러다임의 전환

ㆍ 주사위 던지기의 신, 확률로 지배되는 미시 세계

ㆍ 슈뢰딩거 고양이, 도대체 무엇이 문제인가?

ㆍ 행렬역학과 파동 방정식을 포섭하는 보어의 세계관, 상보성

ㆍ 원자 속 전자들의 현묘한 춤, 확률의 구름과 오비탈

ㆍ 마지막 근대인 아인슈타인의 수수께끼

 

Part 2_ 프로메테우스의 불, 양자컴퓨터

 

IV. 아직 완성되지 않은 양자 기술 혁명: 양자컴퓨터

ㆍ 양자 혁명, 부분과 전체의 새로운 관계

ㆍ 양자컴퓨터는 무엇이고 기존 컴퓨터와 어떻게 다른가?

ㆍ 양자컴퓨터는 왜 필요한가?

ㆍ 반도체는 논리의 좌뇌 vs 양자컴퓨터는 직관의 우뇌

ㆍ 양자컴퓨터가 가지고 올 변화는 무엇인가?

ㆍ 양자 기술의 상용화를 가로막는 기술적 난제

 

V. 양자 인공지능 시대, 제조업을 다시 주목해야 한다?

ㆍ ‘제조업 르네상스’, 첨단산업 혁신과 제조는 얽혀 있다!

ㆍ 양자컴퓨터와 제조업 생태계 간 상호작용

 

VI. 현대 과학·기술 패러다임과 얽힌 국제 질서 변화의 서사: 양자 과학에서 전략기술로, 원자폭탄과 반도체, 그리고 양자컴퓨터

ㆍ 대전환의 시대, 그 변화는 이미 시작되었다!

 

에필로그 - 미래는 예측이 아닌, 창조해 나가는 것이다

감사의 글

부록 - 기본 물리량 개념 알아두기, F=ma에서부터 에너지까지

주

[본 문]
  

“내게도 의지가 있는데, 왜 모든 게 정해진 대로 흘러가야 하나?” (중략)

양자역학의 핵심 원리는 불확정성 원리다. 관측되기 전 양자의 상태를 확률적으로밖에 알 수 없다. 확률적으로 접근할 수밖에 없는 이유는 위치와 속도를 동시에 알 수 없기 때문이다. 그렇기에 과거와 미래가 연결된 일종의 경로가 존재할 수 없다. 모든 것이 정해져 있다는 차갑고 직선적인 논리보다는, 꼭 그렇게만 되지 않을 수 있다는 더 인간적인 가능성, 그 이야기에 우리는 마음이 끌린다. 다만, 과학 원리로서 양자역학의 불확정성 원리와 세상과 삶의 불확실성이 같다는 이야기는 아니다.

-34p, 그 자체로도 신비하고 인간적인 모습의 양자_중에서

 

아인슈타인은 광전효과 논문을 통해서 빛의 이중성을 밝히며 양자역학 시대의 문을 활짝 열었다. 그가 양자역학을 위시한 현대 물리학의 시대를 열었지만, 새로운 시대를 받아들이는 옹호자로서 존재하진 않았다. 그는 오히려 새로운 시대를 거부하는 저항 세력의 수장이었다. 양자역학이라는 새로운 패러다임을 완성한 것은 여러 젊은 천재 과학자들이다. 그렇다고 아인슈타인이 양자역학 패러다임 완성에 기여하지 않았다고 볼 수는 없다. (중략) 젊은 과학자들은 그의 집요하고 강력한 응전을 다 극복하며 양자역학이라는 새로운 패러다임을 완성한다.

-101p, 합리적이고 과학적이지만은 않은 과학 패러다임의 전환_중에서

 

슈뢰딩거는 자신이 만든 파동 방정식이 확률적으로 해석되는 것을 받아들일 수 없었다. 그래서 코펜하겐 학파의 확률적 접근을 반박하기 위해서 내놓은 사고 실험이 앞에서 본 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이다. 하지만 그의 의도와 다르게, 고양이 사고 실험은 양자역학 세계 이해의 깊이를 넓혔다. 또한 그의 파동 방정식은 수소 원자의 운동을 정확히 계산하는 등 원자 세계를 설명하는 수학적 체계로서 그 실효성이 입증된다. 그 결과 슈뢰딩거의 파동 방정식은 행렬역학과 함께 양자역학이 학문적 지위를 얻는 데 크게 기여한다. 이로써 슈뢰딩거는 1933년에 노벨 물리학상을 수상한다.

-152p, 행렬역학과 파동 방정식을 포섭하는 보어의 세계관, 상보성_중에서

 

AI 데이터센터 증축에 따른 에너지 소비가 급증하고 있음을 보여주는 자료들이 제시되고 있다. (증략) 인류의 복잡한 문제를 풀기 위해 개발된 AI가 아이러니하게도 인류의 문제를 풀기는커녕, 더 악화시킬 수 있단 것이다. (중략) 하지만 양자컴퓨터는 슈퍼컴퓨터보다 더 적은 전력으로 더 많은 양의 정보를 빠르게 계산할 수 있다. 그래서 위와 같은 맥락으로 고전 컴퓨터 기반의 AI 대신, 양자컴퓨터 기반의 AI가 대안으로 제시된다. 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 더 빠른 연산을 수행할 수 있는 이유는 앞서 설명한 것과 같이 양자 중첩 원리를 이용해서 데이터를 처리하기 때문에 정답을 찾기까지 계산하는 횟수가 급격히 줄어들 수 있다.

누군가는 비트 정보 0과 1을 중첩하여 큐비트로 정보를 처리하는 원리를 일종의 병렬적 계산 방식이라고도 한다. 여러 가지 경우를 동시에 계산한다는 관점에서 양자컴퓨터 계산 원리도 병렬이라는 개념을 접목할 수 있다.

-221p, 양자컴퓨터는 왜 필요한가?_중에서

 

양자컴퓨터 기술 발전은 기계학습, 딥러닝 등 온전한 인공지능 기술 발전을 이끌 것이다. 앞서 인간의 뇌 기능에 비유한 것과 같이 좌뇌의 기능으로만 작동했던 인공지능이, 우뇌 기능이 갖춰짐에 따라 계산 능력과 데이터 학습 능력이 증폭되고, 그간 좌뇌로 계산하기 어려운 문제까지 해결할 수 있는 능력을 갖추게 된다. 양자컴퓨터 기술이 더해져 더 온전한 성능을 발휘할 수 있게 된 인공지능은 보편적 기반 기술Common Enabler로서 여러 분야에서 활용되어 큰 변화를 불러올 것으로 예상한다. (중략)

대표적으로 양자 최적화, 양자 시뮬레이션, 양자 암호 및 양자 보안의 세 가지 영역에서 다양한 과학, 기술, 산업적 혁신이 파생될 것이다. 양자 최적화 적용 분야는 ‘물류 공급망’, ‘금융 포트폴리오 최적화’, ‘자율주행 경로 최적화’ 등을 예로 들 수 있으며, 양자 시뮬레이션의 경우 ‘신약 및 신소재 개발’, ‘기초과학(물리, 기후변화 등)’ 연구 영역에서 필요하다. 양자 암호·보안의 경우 ‘양자 내성 암호’, ‘양자 키 분배’ 등 기술이 나올 것으로 예상한다.

-244~254p, 양자컴퓨터가 가지고 올 변화는 무엇인가? _중에서

 

반도체 기술은 미국이 주도해 왔으며, 반도체 공급망 역시 미국과 동맹국들에 의해 탄탄히 구축되어 있다는 사실을. 그렇기에 중국은 어설픈 반도체 기술 추격이 오히려 소련과 같은 몰락을 초래할 수 있음을 경계한다. 중국의 전략가들은 과학적 사고에 능하고 냉철하다. 승산이 희박한 싸움에만 매달릴 수는 없다. 중국 역시 미국의 전략적 무기인 반도체 공급망을 상대할 수 있는 새로운 전략적 무기가 필요하며, 그 대안으로 양자컴퓨터에 주목하고 있는지 모른다.

-301~302p, 대전환의 시대, 그 변화는 이미 시작되었다! _중에서

 

양자컴퓨터는 불확실성이 큰 기술이다. 언제 성과가 나올지, 어떤 하드웨어 방식이 주도권을 잡을지는 아직 알 수 없다. 그렇기에 오히려 정부 차원의 장기적이고 꾸준한 지원이 필요하다. 민간 기업만으로는 감당하기 어려운 영역이기도 하다. 한편 제조업은 여전히 한국 산업의 근간이다. 가격 경쟁력에서 중국에 밀리고 있다는 시각도 있지만, 제조업은 여전히 혁신의 원천이자 국가 경제의 토대다. 그렇기에 한국은 제조업을 쉽게 포기할 수는 없다. 고부가가치 제조업은 반도체와 양자컴퓨터가 융합된 AI 계산 자원과 함께 새로운 기회를 만들 수 있다. 또한, 양자컴퓨터가 발전하는 과정 역시 제조업 생태계의 뒷받침이 필요하다.

-307~308p, 대전환의 시대, 그 변화는 이미 시작되었다!_중에서