[책 리뷰 72편] 양자컴퓨터의 미래

 

양자컴퓨터의 미래

저명한 이론물리학자이자 세계적인 베스트셀러 작가 미치오 카쿠가 양자컴퓨터의 역사와 원리, 힘과 가능성을 특유의 유려하고 명쾌한 문체로 흥미진진하게 풀어낸다. 저자는 양자컴퓨터가 지구온난화, 식량 및 에너지 문제, 난치병과 노화를 해결 또는 극복하고 궁극적으로는 생명과 우주의 비밀을 푸는 데 결정적인 기여를 할 것이라고 주장한다. 그 근거로 각 분야에서 현재 문제 해결을 위해 어떤 연구들이 이루어지고 있고 기존의 디지털 컴퓨터로는 어떤 한계가 있는지, 양자컴퓨터는 이런 부분에서 어떤 돌파구가 될지를 정확하면서도 쉬운 언어로 제시한다. 현대 문명의 실질적인 기반이라고 할 수 있는 ‘컴퓨터’와 현대 물리학의 핵심인 ‘양자역학’의 원리와 역사를 시작으로, 그 둘의 결합이라고 할 수 있는 ‘양자컴퓨터’가 그토록 강력한 까닭, 개발 경쟁의 양상, 앞으로 펼쳐질 인류 사회의 모습까지 그려보이는 책이다. 미치오 카쿠의 주요 저작들을 모두 번역한 과학 전문 번역가 박병철 박사의 충실한 번역 및 주석과 함께 양자컴퓨터 시대의 환상적인 풍경을 살펴보자.

저자

미치오 카쿠

출판

김영사

출판일

2023.12.11

 

 

 

 

 

72번째 책을 읽었다

 

개인적인 점수는 10점 만점에 10점

 

오랜만에 이과이과 느낌이 나는 책을 읽었다. 어려웠지만 정말 만족하는 책이었다.

 

책의 제목이 양자컴퓨터니까 양자컴퓨터에 관한 내용은 물론이거니와 환경, 자연, 우주, 양자, 물리 등 엄청난 범위의 기본 지식들을 알기 쉽게 알려주기에 읽으면 읽을수록 똑똑해지는 느낌이 들었던 책이다.

 

이 책을 쓴 작가는 얼마만큼의 방대한 지식을 가지고 있는 것일까 상상이 되질 않는다.

 

이 책을 다 읽고 난 뒤에 난 조금 무서운 느낌이 들었다. 제대로 된 양자컴퓨터가 발명이 된다면 개발한 그 사람이, 그 국가가 세계의 패자가 될 것이다.

 

분자 수준에서의 시뮬레이션이 가능한 계산 능력을 가진다면 비트코인이든 현재 전자상거래든 단숨에 뚫어버리고 자신의 뜻대로 무엇이든 할 수 있을 것이며 미사일의 경로도 해킹가능하고 신약도 개발할 수 있을 것이다.

 

핵 폭탄보다 열 배는 무서운 능력일 것이라고 생각한다. 양자 컴퓨터가 개발되는 순간이 인간이 신의 영역을 침범하는 첫 번째 순간이 아닐까라고 이 책을 읽고 생각했다.

 

이 책은 양자 컴퓨터가 발명되면 일어날 수 있는 모든 일들을 설명하며 전개되는데 거의 다 핑크빛 소식밖에 없다는 점이 아쉬웠다(물론 그 원리도 간략히 설명해준다)

 

양자역학만이 아니라 이과적인 지식에 궁금증이 있다면 강력 추천하는 책이다.

 

쉬운 용어로 설명해주기 때문에 이해못할 것이라 미리 겁먹지 말고 꼭 한 번 읽어보기를!

 

 

 

 

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공부내용

 

 

 

 

1부

양자컴퓨터의 부상

 

• 구글은 자사에서 개발한 양자컴퓨터 시카모어가 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터로 1만 년이 걸리는 수학 문제를 단 20초 만에 풀 수 있다고 장담했다

 

• 디지털 컴퓨터는 가능한 경로를 하나씩 계산하지만 양자컴퓨터는 가능한 경로를 한꺼번에 계산한다

 

• 현실 세계에 적용 가능한 양자 컴퓨터는 아직 요원한 상태

 

• 양자 컴퓨터의 잠재력을 조금이라도 간파한 기업이라면 지금 당장 판에 뛰어들어야 한다. 이제 곧 전대미문의 지각변동을 겪게 될 것이다

 

• 양자 컴퓨터가 완성되면 모든 보안 코드를 뚫을 수 있다

 

• 지난 50년 동안 컴퓨터는 '무어의 법칙'을 따라 진행되었다(컴퓨터의 계산 능력은 18개월마다 두 배씩 향상된다)

→ 이 주기는 점차 길어지기 시작했으며 시간이 좀 더 흐르면 아예 정체 상태로 접어들 것이다

→ 트랜지스터 사이의 간격이 원자 5개 정도라면 불확정성 원리에 의해 위치가 불확실해진 전자들이 사방으로 튀어나와 회로를 단락시키거나 과도한 열을 발생시켜 칩을 녹일 수도 있다

 

• 양자 컴퓨터가 직면한 가장 큰 문제

→ 원자들이 일제히 같은 모드로 진동하도록 배열되어야 하는데, 예민하고 작은 원자는 외부의 불순물이나 교란이 조금이라도 개입되면 상태가 붕괴되고 계산은 엉망진창이 된다

 

• 재생 에너지 예찬론자들은 화석 연료 발전이 더 싸다는 것을 직시할 필요가 있다

 

• 질소고정 = 일부 박테리아는 공기 중에서 질소를 취하여 암모니아로 변환하고, 이는 식물의 성장에 필요한 영양분이 된다

 

• 항생제와 백신은 분자수준에서 매커니즘을 파악하지 못하고 오직 시행착오를 거쳐 개발되고 있다

 

• 모든 컴퓨터는 튜링머신이 현실세계에 구현된 사례라 할 수 있다. 아니, 현대 사회 전체가 튜링 머신으로부터 탄생했다고 해도 과언이 아니다

→ 이진법을 사용하는 계산 컴퓨터

→ 튜링은 0을 1로 바꾸거나 1을 0으로 바꾸는 과정을 체계적으로 이행하면 수학에 등장하는 모든 연산을 수행할 수 있다고 결론지었다

 

• 파이프와 밸브로 이루어진 배관 시스템에서 물을 전기로, 밸브를 진공관으로 대체하면 곧바로 디지털 컴퓨터가 된다

 

• 튜링 테스트 = 밀폐된 방에 각각 사람, 로봇을 놓은 후 질문을 통해 어느 쪽이 사람인지 테스트

→ 지금까지 튜링 테스트를 여러 번 반복적으로 통과한 기계는 단 하나도 없다

 

• 양자 컴퓨터로 가는 길고 긴 여정의 첫 걸음을 내디딘 주인공은 막스 플랑크다

 

• 광전효과 = 금속에 빛을 쪼였을 때 표면에 있는 전자가 튀어나오면서 약한 전류가 흐르는 현상

→ 양자 가설을 입증하는 대표적 사례

 

• 생명체에게 가장 중요한 원소는 두말할 것 없이 탄소다. 탄소는 다른 원소와 결합하려는 성질이 매우 강해서, 생명의 구성요소인 탄화수소를 쉽게 만들 수 있다

 

• 물질은 입자로 이루어져 있지만, 그 입자가 발견될 확률은 파동으로 주어진다

 

• 미시세계에서는 모든 사물이 명확한 상태로 존재하는 것이 아니라, 모든 가능한 상태의 중첩으로 존재한다. 누군가가 관측을 시작하면 그 즉시 파동함수가 붕괴되며 하나의 결과가 현실로 드러난다.

→ 관측행위 : 미시세계와 거시세계를 연결

 

• 지금까지 실행된 그 어떤 실험에서도 양자이론에서 벗어난 사례는 없다

 

• 독일 최고의 양자물리학자였던 베르너 하이젠베르크는 나치의 원자폭탄 개발 프로젝트에 차출되었으나 우라늄 워자의 붕괴확률과 관련된 중요한 숫자 하나를 몰랐기 때문에 원자폭탄을 완성하지 못했다

 

• 히로시마, 나가사키 원자폭탄 = 양자역학 대세의 시작

 

• 트랜지스터 = 밸브

→ 회로에 흐르는 전류는 도로를 달리는 자동차, 트랜지스터는 교통의 흐름을 제어하는 신호등

 

• 파인만의 경로적분 접근법 : 전자같은 입자들은 모든 가능한 경로를 동시에 지나가고 있다. 단, 상식에서 벗어난 경로일수록 가중치가 줄어든다

 

• 양자역학을 우주 전체에 적용하면, 전자와 마찬가지로 우주도 여러 개의 상태가 중첩된 채로 존재한다는 것을 인정할 수 밖에 없다 = 평행우주

 

• 얽힘 = 양자적으로 얽힌 관계에 있는 두 입자는 둘 사이의 거리가 아무리 멀어져도 상대방에게 영향을 줄 수 있으며, 이 영향은 즉각적으로 전달된다

 

• 제 2차 세계대전 때 튜링이 나치의 에니그마 암호를 해독하지 못했다면 전쟁은 훨씬 길어졌을 것이고, 인류의 역사는 완전히 다른 방향으로 흘러갔을지도 모른다

 

• 0과 1이라는 상태가 중첩되고 얽혀서 정보를 처리하는 시스템은 모두 양자 컴퓨터가 될 수 있다

 

• 온도를 절대온도 0도보다 몇 분의 1도 쯤 높은 극저온으로 낮추면 회로 자체가 양자역학의 법칙을 따르게 된다. 즉 전자들이 결맞음 상태가 되어 중첩에 방해를 받지 않는다

→ 0K에 도달하기란 현실적으로 불가능하다

 

• 전자는 전하를 띄고 있어서 다른 물질에 쉽게 반응하지만 광자는 전하가 없기 때문에 주변 환경의 영향을 거의 받지 않는다

 

• 양자 컴퓨터는 주변 환경과 상호작용하면서 필연적으로 오류가 생기기 때문에, 백업 큐비트를 충분히 많이 만들어서 중복 계산을 통해 수정해야 한다

 

 

 

 

 

2부

양자 컴퓨터와 사회

 

• 판스페르미아설 = 외계 생명체 유입설

 

• 우주 공간을 떠도는 소형 천체 = 유성 / 유성이 지구에 떨어진 것 = 운석

 

• 효소는 화학 반응을 촉진한다. 반응이 쉽게 일어나도록 화학 물질을 한 곳에 모은 후, 에너지 장벽을 낮춰서 쉽게 넘을 수 있도록 만드는 것이 효소의 역할이다

 

• 방사선 = 원자 핵의 일부가 핵의 결합력을 극복하고 외부로 방출되는 현상

 

• 생명 유지에 필수적인 반응 대부분은 촉매를 통해 진행된다

 

• 블루 스카이 프로젝트 = 결과가 당장 수익으로 이어지지 않는 프로젝트

 

• 재생 에너지의 취약점 = 저장하기 어려움

 

• 음전하를 띈 전자가 양극에서 음극으로 이동하면 양전하를 띈 이온은 그 반대 방향으로 이동한다. 이런 식으로 전하가 이동하면서 전기가 형성된다

 

• 양자 컴퓨터는 복잡한 방정식 반응을 시뮬레이션으로 대체할 수 있다

 

 

 

 

3부

양자의학

 

• 과거에는 전쟁터에서 사망한 군인보다 상처의 후유증으로 뒤늦게 사망한 군인이 압도적으로 많았다

 

• 미지의 병원균으로 가득 찬 곳, 그곳이 바로 지구이다

 

• 새로운 항생제는 지난 30년 동안 단 한 가지도 개발되지 않았다

 

• 10(86승) 비트의 컴퓨터 메모리 = 양자 컴퓨터에게 일상적인 계산

 

• 모든 질병의 60%가 동물로부터 전염되는 것으로 추정된다

→ 새로운 질병의 창궐 가능성은 항상 열려있다

 

• 백신은 질병을 예방할 뿐, 이미 감염된 사람을 치료할 수는 없다

 

• 바이러스는 전염성은 높지만 사람에게 치명적이지 않은 쪽으로 진화하는 경향이 있다

 

• 암 = 건강한 세포가 갑자기 비정상적으로 증식하여 숙주를 죽이는 현상

→ 암세포 = 죽는 방법을 잊어버린 평범한 세포

 

• 면역체게는 암세포를 쉽게 판별하지 못한다

 

• 바이러스는 박테리아도 공격한다

 

• 인공지능이 정체기를 겪고 있는 이유는 컴퓨터의 성능이 그 뒤를 받져주지 못하기 때문이다

 

• 프리온 = 잘못된 방식으로 접힌 단백질. 일반적인 질병과 달리 다른 단백질과의 접촉을 통해 퍼져나간다

 

• 루게릭 병은 신경계를 공격하여 두뇌와 근육 사이의 연결망을 끊어놓는다

 

• 열역학 제 2법칙 = 닫힌계(외부와 에너지를 교환하지 않는 물리계)는 시간이 흐를수록 녹슬고, 분해되고, 망가지다가 결국 죽게 된다

→ 계의 무질서도(엔트로피)가 항상 증가한다

 

• 대사율이 높을수록 산화율도 높아져 장기에 오류가 쌓이게 된다

 

• 어떤 의미에서 보면 암은 영생을 허락하지 않는 제 2열역학 법칙의 망령인 셈이다

 

• DNA와 세포에 누적된 유전적 오류가 노화와 죽음의 원인 중 하나다

 

• 배아줄기세포는 인체의 어떤 세로로도 변할 수 있다

 

• 노화를 인위적으로 늦추거나 역전시키면 암과 같은 부작용이 수반된다

 

 

 

 

 

4부

세상과 우주의 모델링

 

• 지구온난화는 간빙기에 나타나는 주기적인 현상이 아니라, 무언가 매우 부자연스러운 변화임이 분명하다

 

• 적외선은 이산화탄소를 쉽게 통과하지 못하기 때문에 대기에 갇힌 열 에너지가 지구를 가열시킨다

 

• 지구가 더워질수록 더 많은 툰드라 지대가 녹으면서 대량의 메탄가스를 방출할 것이다

 

• 날씨는 1킬로미터마다 달라진다

 

• 원자력 에너지 = 핵 분열 에너지

 

• 핵융합은 핵분열과는 달리 치명적인 폐기물을 낳지 않는다

→ 현재 전 세계적으로 관리가 필요한 핵 폐기물의 총량은 37만 톤이다

 

• 플라스마 = 온도가 너무 높아서 전자의 일부가 떨어져나간 기체

 

• 초전도 = 특정 물체를 극저온으로 냉각했을 때 전지저항이 0으로 사라지는 현상

→ 초강력 자기장 생성 가능

 

• 지구에 심각한 피해를 입힐 수 있는 잠재적 킬러 소행성은 수백만 개에 달하고, 그 중 대부분은 아예 감지조차 되지 않은 상태이다

 

• 태양 플레어 = 태양 표면의 자기력선이 교차하는 곳에서 엄청난 양의 에너지가 전자, 양성자, 이온의 형태로 격렬하게 방출되는 현상

 

• 무거운 원소들은 태양이 태어나기 수십억년 전에 초신성 폭발의 뜨거운 열기 속에서 만들어진 것이다

 

• 우주의 대부분은 원자가 아닌 암흑 물질과 암흑 에너지로 이루어져 있다

 

• 암흑 물질은 중력을 제외한 모든 것과 상호작용 하지 않는다. 아무 거리낌없이 흙과 손바닥을 통과할 것

 

• 암흑 물질은 은하의 가장자리에 집중적으로 분포되어 별들을 하나로 묶어준다

 

 

 

 

 

에필로그

 

• 양자 세계가 그토록 기이한 이유는 우주를 안정적으로 유지하기 위해서다

 

• 우주에서 일어나는 모든 현상은 양자 컴퓨터에 코드화할 수 있다