퀀텀이 뭐 대단한 거라고

퀀텀하면 일단 머리가 지끈 거릴거다. 당연하다. 용어도 생소하고 공식도 처음 본다. 

"퀀텀 컴퓨팅"이라는 단어를 들었을 때 어렵다고 느끼는 건 당신이 멍청해서가 아니다. 실제로 어렵기 때문이다. 세계 최고의 물리학자들도 퀀텀의 세계를 완전히 이해한다고 말하지 않는다. 양자역학의 아버지 중 한 명인 리처드 파인만은 이런 말을 남겼다.

"퀀텀 역학을 이해했다고 생각하는 사람은, 퀀텀 역학을 이해하지 못한 것이다."

그러니 어렵게 느끼는 건 정상이다. 오히려 좋은 신호다.

그런데 여기서 한 가지 좋은 소식이 있다. 자동차 엔진의 폭발 원리를 몰라도 운전은 할 수 있다. 스마트폰 안의 반도체가 어떻게 생겼는지 몰라도 앱은 만들 수 있다. 퀀텀도 마찬가지다. 물리학은 과학자들에게 맡기고, 우리는 그것이 무엇을 할 수 있는지만 이해하면 된다. 그렇다. 우리는 스마트폰이 어떻게 동작하는지 모른다. 하지만 하루종일 스마트 폰을 들여다 보지 않는가. 그런거다. 

---

1. 멈춰있는 동전과 회전하는 동전

지금까지 컴퓨터가 세상을 보는 방식

컴퓨터는 놀랍도록 단순한 기계다. 세상의 모든 것을 딱 두 가지로만 표현한다. 0과 1. 전기가 흐르면 1, 안 흐르면 0. 이것이 전부다.

이걸 이해하는 가장 쉬운 방법은 동전이다.

책상 위에 동전을 하나 놓아보자. 앞면이면 1, 뒷면이면 0. 지금 이 동전은 반드시 둘 중 하나다. 앞면이면서 동시에 뒷면일 수는 절대 없다. 50년 넘게 우리 곁에 있던 컴퓨터—스마트폰, 노트북, 서버—는 전부 이 단순한 진리 위에 세워졌다. 수십억 개의 동전을 엄청난 속도로 뒤집는 기계, 그게 클래식 컴퓨터다.

퀀텀 컴퓨터가 세상을 보는 방식

이제 그 동전을 손가락으로 튕겨보자. 팽이처럼 빙글빙글 돌아가기 시작한다.

자, 질문을 하나 하겠다. 지금 이 동전은 앞면인가, 뒷면인가? 

지금 야바위 하자는거 아니다. 돈놓고 돈먹는 도박도 아니다. 잠깐 멈추고 진짜로 생각해보길 바란다.

돌고 있으니까 앞면이기도 하고 뒷면이기도 하다. 혹은 앞면도 아니고 뒷면도 아니다. 이 직관적으로 불편한 느낌, 바로 그게 퀀텀의 세계다. 퀀텀 컴퓨터의 기본 단위인 큐비트(Qubit) 는 이 회전하는 동전처럼, 누군가 들여다보기 전까지는 0이면서 동시에 1인 상태로 존재한다. 이게 똥인지 된장인지 모르는 상태와 동일하다. 냄새도 비슷하고 색도 별 차이 없다. 

이것을 중첩(Superposition) 이라고 부른다.

그리고 "지금 0이야, 1이야?" 하고 확인하는 순간—마치 손으로 회전하는 동전을 탁 잡는 것처럼—비로소 0 또는 1 중 하나로 딱 결정된다. 이것을 측정(Measurement) 이라고 한다. 그렇다. 먹어보면 안다. 똥인지 된장인지 바로 이상태다.

그래서 뭐가 다른 건데?

멈춰있는 동전이 100개 있으면 그것이 표현할 수 있는 경우의 수는 딱 하나다. 지금 이 순간 놓인 그 배열. 앞앞뒤앞뒤…, 그게 전부다.

그런데 회전하는 동전이 100개 있으면? 이것들이 동시에 표현할 수 있는 상태의 수는 2의 100제곱이다. 이 숫자가 얼마나 큰지 감이 오지 않는다면, 이렇게 생각해보자. 우주에 존재하는 원자의 수보다 많다. 퀀텀 컴퓨터는 이 모든 가능성을 동시에 탐색할 수 있다.

---

2. 스위치에서 마법 지팡이로

클래식의 스위치 — 뒤집기만 하는 기계

컴퓨터가 계산을 하려면 그 0과 1을 조작하는 도구가 필요하다. 이것을 논리 게이트라고 부른다. 쉽게 말하면 스위치다.

가장 단순한 스위치는 NOT 게이트다. 0을 넣으면 1이 나오고, 1을 넣으면 0이 나온다. 말안듣는 청개구리다. 앞면 동전을 뒤집어 뒷면으로 만드는 것. 단순하지만, 이 스위치를 수십억 개 조합하면 지금 우리가 쓰는 모든 소프트웨어가 탄생한다.

퀀텀의 첫 번째 마법 — 동전을 튕기는 손가락

퀀텀에도 NOT과 똑같이 동작하는 스위치가 있다. 그것보다 흥미로운 건 클래식에는 존재하지 않는 스위치다.

H 게이트(Hadamard 게이트) 라고 불리는 이 스위치가 하는 일은 이렇다.

가만히 놓인 동전(확정된 0 또는 1)을 손가락으로 튕겨서 팽이처럼 회전하는 상태로 만든다.

확정된 세계에서 가능성의 세계로 문을 여는 것이다. 0이라고 확정되어 있던 것이, H 게이트를 통과하면 "0이 될 수도 있고 1이 될 수도 있는" 상태가 된다. 확률로 보면 정확히 반반이다.

왜 이게 중요할까. 퀀텀 컴퓨터가 수많은 가능성을 동시에 탐색하는 힘은 바로 이 문에서 시작되기 때문이다. 모든 퀀텀 계산은 이 손가락 튕기기로 시작된다고 해도 과언이 아니다.

퀀텀의 두 번째 마법 — 운명을 공유하는 두 동전

이번엔 동전이 두 개다. A 동전과 B 동전.

규칙을 하나 정한다. "A 동전이 앞면으로 멈추면, B 동전도 반드시 앞면이어야 한다."

평범한 규칙처럼 보인다. 그런데 여기에 반전이 있다. A 동전이 회전 중인 상태, 즉 아직 앞면인지 뒷면인지 결정되지 않은 상태라면 어떻게 될까.

A의 운명이 결정되지 않았으니, B의 운명도 결정될 수 없다. 두 동전은 서로 얽혀버린다. 그리고 결정적인 순간이 온다. 아무도 B를 보지 않은 상태에서 A만 손으로 잡아 멈췄더니 앞면이 나왔다. 그 순간, 아무도 건드리지 않은 B도 동시에 앞면으로 결정된다. 바늘따라 실가는 셈이다. 

서울에서 동전 A를 확인하는 순간, 부산에 있는 동전 B의 상태가 즉각 결정되는 것이다. 심지어 우주 반대편에 있어도 마찬가지다. 이것을 얽힘(Entanglement) 이라고 한다. 악연도 운명도 다 얽힘 아니겠는가. 양자의 세계는 그렇다. 

SF 영화에서 "양자 얽힘으로 순간이동이 가능하다"는 대사가 나오는 이유가 여기에 있다. 물론 실제로 사람을 순간이동 시키는 건 아니지만, 정보가 공간을 초월하여 연결되는 이 성질은 퀀텀 컴퓨팅의 강력한 무기가 된다.

---

3. 퀀텀은 어떻게 문제를 푸는가

클래식의 방식 — 미로를 한 걸음씩 걷기

미로를 탈출해야 한다고 상상해보자. 클래식 컴퓨터의 방식은 이렇다. 일단 왼쪽으로 간다. 막히면 돌아와서 오른쪽으로 간다. 또 막히면 돌아와서 다음 경로를 시도한다. 빠르기는 하지만 결국 한 번에 한 경로씩 시도하는 것이다. 미로가 복잡할수록 걸리는 시간은 기하급수적으로 늘어난다.

퀀텀의 방식 — 미로를 하늘에서 내려다보기

퀀텀 컴퓨터의 방식은 근본적으로 다르다. 미로 안에 수천 명을 동시에 풀어놓는다. 각각 다른 경로를 동시에 탐색한다. 그리고 막힌 경로에 있는 사람들은 서서히 사라지게 하고, 출구를 향해 가는 사람들의 경로는 점점 선명하게 만든다.

이것이 퀀텀의 간섭(Interference) 이라는 개념이다. 틀린 답으로 가는 길은 서로 상쇄시켜 지워버리고, 옳은 답으로 가는 길은 서로 강화시켜 더 밝게 만든다. 결국 마지막에 선명하게 남은 경로가 최적의 답이다.

클래식이 미로를 두 발로 걷는 방식이라면, 퀀텀은 미로 전체를 드론으로 내려다보는 방식이다.

---

4. 아직 새벽인 기술

오늘 배운 것을 세 줄로 정리하면 이렇다.

큐비트는 회전하는 동전이다. 보기 전까지는 0이기도 하고 1이기도 하다. 이 중첩이 퀀텀의 힘의 원천이다.

H 게이트는 가능성의 문이다. 확정된 것을 불확정으로 만들어, 퀀텀이 수많은 경우를 동시에 탐색할 수 있게 한다.

얽힘은 동전들을 하나로 묶는다. 공간을 초월해 서로 연결된 큐비트들이 함께 움직이며 클래식 컴퓨터가 흉내도 낼 수 없는 연산을 가능하게 한다.

퀀텀 컴퓨팅은 아직 새벽이다. 완성된 기술이 아니라 만들어지고 있는 기술이다. 그렇기 때문에 지금이 기회다. 해가 중천에 뜬 뒤에 일어나는 사람은 그늘진 자리밖에 남지 않는다. 아직 똥인지 된장인지 모른다. 하지만 그대 찍어 먹기를 주저하지 말라. 용기있는 자가 퀀텀을 얻을 테니