퀀텀점프-3부 | 회전하는 동전의 비밀 멈춰있는 동전과 회전하는 동전

3부 | 회전하는 동전의 비밀

멈춰있는 동전과 회전하는 동전

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사진작가와 영상작가

사진작가가 있다.

셔터를 누르는 순간, 세상이 딱 멈춘다. 그 찰나의 한 장면이 사진이 된다. 웃는 표정이거나 우는 표정이거나. 눈을 떴거나 감았거나. 반드시 둘 중 하나의 순간이 포착된다. 중간은 없다. 셔터가 눌리는 그 순간, 세상은 하나의 상태로 확정된다.

클래식 컴퓨터의 비트가 이 사진이다. 찍히는 순간 0 아니면 1로 확정된다. 움직임이 없다. 변화가 없다. 멈춰있다.

이번엔 영상작가가 있다.

카메라가 돌아가는 동안, 세상은 흐른다. 웃음이 울음으로 바뀌는 그 중간 과정이 전부 담긴다. 눈을 뜨는 찰나, 표정이 굳어가는 순간, 빛이 변하는 흐름. 단 한 가지 상태로 확정되지 않는다. 수많은 가능성이 동시에 흐르고 있다.

퀀텀의 큐비트가 이 영상이다. 측정하기 전까지는 흐른다. 가능성이 열려있다.

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동전 하나의 이야기

책상 위에 동전을 꺼내놓자.

앞면이 보인다. 100원짜리 이순신 장군 얼굴이다. 이 동전의 상태는 지금 이 순간 딱 하나다. 앞면. 의심할 여지가 없다. 손으로 뒤집지 않는 한 뒷면이 될 수 없다. 앞면이거나 뒷면이거나, 반드시 둘 중 하나의 상태로 고정되어 있다.

이것이 클래식 컴퓨터가 정보를 저장하는 방식이다. 0이거나 1이거나. 켜졌거나 꺼졌거나. 어느 순간에도 하나의 상태만 가진다. 단순하고 명확하다.

이제 그 동전을 손가락으로 튕겨보자.

동전이 팽이처럼 세워져 빙글빙글 돌기 시작한다. 자, 지금 이 동전은 앞면인가 뒷면인가.

잠깐 정말로 생각해보자.

돌고 있으니까 앞면이기도 하고 뒷면이기도 하다. 아니면 앞면도 아니고 뒷면도 아니다. 어느 쪽이 맞는 말인지 선뜻 대답하기 어렵다. 그 불편한 느낌, 그 직관적으로 설명이 안 되는 느낌이 바로 퀀텀의 세계다.

회전하는 동안 이 동전은 앞면이 될 가능성과 뒷면이 될 가능성을 동시에 품고 있다. 확정되지 않은 상태다. 가능성의 상태다. 이것을 중첩이라고 부른다.

그리고 손으로 잡아 멈추는 순간, 앞면 아니면 뒷면으로 결정된다. 그때야 비로소 하나의 상태로 확정된다.

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형사와 용의자

형사 드라마를 한 편 떠올려보자.

사건이 일어났다. 용의자 한 명이 있다. 형사가 심문을 시작하기 전, 이 사람이 범인인지 아닌지 아직 모른다. 범인일 수도 있고, 아닐 수도 있다. 두 가지 가능성이 동시에 열려있다.

심문이 진행되고, 결정적 증거가 나왔다. 그 순간 가능성이 하나로 확정된다. 범인이거나, 범인이 아니거나.

심문하기 전의 용의자가 큐비트다. 두 가지 가능성을 동시에 품고 있는 상태. 심문 결과가 나온 순간이 측정이다. 하나로 확정되는 것.

클래식 컴퓨터의 비트는 처음부터 범인이거나 아니거나 확정되어 있다. 심문할 필요도 없다. 이미 정해진 상태다.

이 차이가 왜 중요한가. 퀀텀 컴퓨터는 확정되기 전의 그 열린 가능성을 계산에 활용한다. 두 가지 가능성이 동시에 열려있는 그 상태에서, 수많은 경우를 한꺼번에 탐색한다. 확정이 되는 순간은 답이 나왔을 때, 딱 그때뿐이다.

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도서관의 두 사서

도서관에 책이 만 권 있다. 그 안에서 특정 조건을 만족하는 책을 찾아야 한다.

첫 번째 사서는 클래식 방식이다. 첫 번째 책을 집어든다. 조건에 맞는가. 아니다. 내려놓는다. 두 번째 책을 집어든다. 조건에 맞는가. 아니다. 내려놓는다. 이렇게 한 권씩 확인한다. 만 권을 다 봐야 할 수도 있다. 빠르기는 하지만, 결국 한 번에 하나씩이다.

두 번째 사서는 퀀텀 방식이다. 이 사서는 도서관에 들어서는 순간 만 권의 책을 동시에 느낀다. 각 책이 조건에 맞을 가능성을 동시에 탐색한다. 조건에 맞지 않는 책들은 저절로 흐릿해지고, 조건에 맞는 책은 점점 선명해진다. 마지막에 가장 밝게 빛나는 책이 정답이다.

첫 번째 사서가 비트다. 한 번에 하나. 두 번째 사서가 큐비트다. 동시에 전부.

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전구와 조명 디머의 차이

집에 있는 전등 스위치를 생각해보자.

오래된 방식의 스위치는 두 가지다. 올리면 켜진다. 내리면 꺼진다. 중간이 없다. 켜진 상태 아니면 꺼진 상태. 이것이 비트다.

요즘 고급 조명에는 디머(밝기 조절 장치)가 달려있다. 완전히 꺼진 상태에서 시작해서, 조금씩 조금씩 밝아진다. 10퍼센트 밝기, 30퍼센트, 50퍼센트, 80퍼센트, 완전히 켜진 상태까지. 무수히 많은 중간 상태가 있다.

큐비트가 이 디머다. 완전히 꺼진 상태(0)와 완전히 켜진 상태(1) 사이의 어딘가에 있을 수 있다. 측정하기 전까지는 그 무수히 많은 중간 상태 중 어딘가에 존재한다.

그리고 이 무수한 중간 상태가 계산의 재료가 된다. 클래식 컴퓨터는 켜지거나 꺼진 전구로만 계산한다. 퀀텀 컴퓨터는 밝기가 다양한 수백 개의 전구를 동시에 조절하며 계산한다.

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음악과 소음의 비유

피아노 건반을 하나 누른다.

도 음이 난다. 하나의 음. 명확하다. 다른 음과 섞이지 않는다. 이것이 비트다. 0 아니면 1. 하나의 확정된 음.

이번엔 피아니스트가 두 손으로 열 개의 건반을 동시에 누른다.

화음이 울린다. 열 개의 음이 동시에 존재하며 서로 섞이고 어울린다. 그 조합이 만들어내는 풍부함은 단음 하나로는 절대 낼 수 없는 것이다.

큐비트가 이 화음이다. 동시에 여러 상태가 공존하며, 그 공존이 만들어내는 가능성의 풍부함이 계산의 힘이 된다.

그리고 결정적인 순간이 있다. 연주가 끝나고 마지막 음이 울리는 그 순간, 청중은 "아, 장조였구나" 혹은 "단조였구나"라고 확정해서 느낀다. 연주 내내 두 가지 가능성이 공존했다가, 마지막에 하나로 수렴하는 것이다.

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왜 이것이 그렇게 중요한가

동전 하나의 차이가 뭐가 대단하냐고 생각할 수 있다.

여기서 숫자 하나를 보자.

동전이 하나면 경우의 수가 둘이다. 앞면 아니면 뒷면.

동전이 열 개면 경우의 수가 천여 개가 넘는다.

동전이 오십 개면 경우의 수가 천조 개가 넘는다.

동전이 백 개면 경우의 수가 우주의 원자 수보다 많다.

클래식 컴퓨터는 이 경우의 수를 하나씩 순서대로 확인한다. 동전이 백 개라면 우주의 원자 수만큼의 경우를 하나씩 보는 것이다. 우주의 나이가 지나도 끝나지 않는다.

퀀텀 컴퓨터는 이 경우의 수를 동시에 탐색한다. 백 개의 동전을 동시에 돌려놓고, 그 광활한 가능성 공간을 한꺼번에 들여다본다. 틀린 가능성은 서로 상쇄되어 사라지고, 맞는 가능성만 남아 선명해진다.

동전 하나의 차이가 아니다. 우주적 규모의 차이다.

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그러면 왜 지금까지 안 썼는가

당연한 의문이 생긴다.

그렇게 좋은 것이라면 왜 지금까지 안 썼는가. 왜 이제야 이야기가 나오는가.

회전하는 동전이 문제다.

큐비트는 극도로 예민하다. 공기 분자 하나가 스치거나, 온도가 아주 조금 변하거나, 진동이 미세하게 전달되면 회전하던 동전이 그 충격으로 확정되어버린다. 측정하려는 것도 아닌데 저절로 멈춰버리는 것이다. 이것을 결어긋남이라고 부른다. 회전이 외부의 간섭으로 깨지는 현상이다.

그래서 큐비트는 절대 영도에 가까운 극저온에서만 작동한다. 우주 공간보다 차가운 온도. 그 환경을 만들고 유지하는 것 자체가 엄청난 기술이었다.

수십 년에 걸쳐 그 기술이 발전했다. 그리고 지금, 그 임계점에 가까워지고 있다. IBM과 구글이 수백, 수천 개의 큐비트를 다루기 시작했다. 아직 완성이 아니다. 하지만 더 이상 공상과학이 아니다.

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멈춰있는 동전과 회전하는 동전

결국 이 이야기는 하나의 질문으로 시작했다.

동전 하나가 멈춰있는 것과 회전하고 있는 것, 무엇이 다른가.

멈춰있는 동전은 지금 이 순간의 답만 가지고 있다. 앞면 아니면 뒷면. 확정된 현재.

회전하는 동전은 모든 가능성을 동시에 품고 있다. 앞면이 될 수도, 뒷면이 될 수도 있는 열린 미래.

클래식 컴퓨터는 수십억 개의 멈춰있는 동전으로 세상을 계산한다. 하나씩, 순서대로, 확정하며 나아간다.

퀀텀 컴퓨터는 회전하는 동전들로 세상을 계산한다. 동시에, 함께, 가능성의 공간 전체를 품으며.

어느 것이 더 낫고 못하고의 문제가 아니다. 멈춰있는 동전이 잘 푸는 문제가 있고, 회전하는 동전이 필요한 문제가 있다. 그리고 세상이 우리에게 던지는 문제들이, 점점 회전하는 동전을 요구하는 방향으로 가고 있다.

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다음 편에서는 이 회전하는 동전들이 서로 연결될 때 무슨 일이 일어나는지 이야기한다. 얽힘이라는 현상이다. 서울에서 동전 하나를 확인하는 순간, 부산에 있는 동전의 상태가 동시에 결정되는 그 불가사의한 연결이, 퀀텀 계산의 두 번째 비밀이다.