퀀텀점프-측정 — 손으로 잡는 순간 하나로 결정된다

측정 — 손으로 잡는 순간 하나로 결정된다

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사진을 찍는 순간

친구들과 여행을 갔다.

해가 지고 있다. 하늘이 붉게 물들고 있다. 구름이 흘러가고 있다. 빛이 매 순간 바뀐다. 지금 이 순간의 하늘은 1초 전과도 다르고 1초 후와도 다르다. 끊임없이 변하는 흐름 속에 있다.

셔터를 누른다.

찰칵.

그 순간이 멈춘다. 흘러가던 노을이 한 장의 사진 안에 확정된다. 그 전의 하늘도 아니고, 그 후의 하늘도 아닌, 셔터를 누른 바로 그 순간의 하늘이 영원히 고정된다.

퀀텀에서 측정이 하는 일이 바로 이것이다.

끊임없이 가능성이 흘러가는 큐비트에 셔터를 누른다. 그 순간, 흘러가던 모든 가능성이 하나로 멈춘다. 0 아니면 1로 확정된다. 그 전도 아니고 그 후도 아닌, 측정하는 바로 그 순간의 상태로.

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관찰자가 세상을 바꾼다

일상에서 관찰이 대상을 바꾸는 경우가 있다.

회사에서 팀장이 지켜보고 있으면 직원들의 행동이 달라진다. 카메라가 돌아가고 있으면 사람들이 다르게 행동한다. 누군가 보고 있다는 사실이 상황 자체를 바꾼다.

이것을 심리학에서는 호손 효과라고 부른다. 관찰 자체가 결과에 영향을 미치는 것.

퀀텀의 세계에서 이것이 심리학이 아닌 물리학이다.

관찰하는 행위 자체가 퀀텀 입자의 상태를 바꾼다. 보지 않을 때는 가능성의 상태로 흐르다가, 보는 순간 하나로 확정된다. 보는 행위가 존재의 상태를 결정한다.

처음 이 사실이 알려졌을 때 물리학자들이 얼마나 당황했는지 상상이 가는가. 우리가 세상을 보는 것이 세상을 바꾼다는 것이다. 아인슈타인은 이것을 죽을 때까지 받아들이지 못했다. "달은 내가 보지 않을 때도 존재한다"며 반박했다. 그러나 실험은 계속해서 같은 결과를 보여줬다. 퀀텀 세계에서 관찰은 단순히 확인이 아니라 창조에 가깝다.

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투표함 이야기

선거 날이다.

전국에서 수천만 명이 투표를 한다. 투표함이 닫혀있는 동안, 결과는 무엇인가.

아무도 모른다. 여론조사를 보면 어떤 후보가 유리해 보이기도 한다. 그런데 공식 결과는 없다. 개표가 시작되기 전까지는 모든 가능성이 열려있다. A 후보가 이길 수도 있고, B 후보가 이길 수도 있고, 초접전일 수도 있다.

개표가 시작되는 그 순간, 숫자들이 하나씩 확정되기 시작한다. 개표기가 표를 읽는 것이 측정이다. 읽히는 순간 그 표는 확정된다. 천천히, 한 장씩, 결과가 수렴해간다.

그리고 마지막 표가 개표되는 순간, 모든 가능성은 사라지고 하나의 결과만 남는다.

퀀텀의 측정이 이 개표와 비슷하다. 개표하기 전까지는 가능성의 상태다. 개표가 시작되는 순간부터 하나씩 확정된다. 그리고 측정이 끝나면 단 하나의 답만 남는다.

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잠자는 사람을 깨우는 것

깊이 잠든 사람이 있다.

자는 동안 이 사람의 꿈속에서는 무슨 일이든 일어나고 있다. 하늘을 날고 있을 수도 있고, 고등학교 교실에 있을 수도 있고, 한 번도 가본 적 없는 나라를 여행하고 있을 수도 있다. 꿈은 흐른다. 고정되지 않는다.

어깨를 흔들어 깨운다.

눈이 떠지는 순간, 꿈은 사라진다. 이 사람은 지금 자기 방 침대 위에 있다. 꿈속의 수많은 장소들은 하나의 현실로 수렴됐다. 자기 방.

깨우는 행위가 측정이다. 흘러가던 꿈의 가능성들이 하나의 현실로 확정되는 것.

그리고 한 번 깨어나면 그 꿈으로 다시 돌아갈 수 없다. 측정은 되돌릴 수 없다. 한 번 확정된 상태는 다시 가능성의 상태로 돌아가지 않는다. 깨운 순간, 끝이다.

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슈퍼마켓의 계산대

장을 보고 계산대 앞에 섰다.

장바구니 안에 물건이 여러 개 있다. 계산이 되기 전까지, 총 금액은 아직 모른다. 만 원일 수도 있고, 오만 원일 수도 있고, 십만 원일 수도 있다. 여러 가능성이 머릿속에 공존한다.

계산원이 첫 번째 물건을 스캔한다. 삑.

가능성이 하나씩 좁혀진다. 두 번째 물건을 스캔한다. 삑. 더 좁혀진다. 마지막 물건까지 다 스캔하면, 영수증에 하나의 숫자가 찍힌다. 47,300원. 확정이다.

스캔하는 행위가 측정이다. 스캔 전까지는 가능성이었다가, 스캔하는 순간 확정된다.

그런데 퀀텀에서 흥미로운 것은 여기서부터다. 계산원이 물건을 스캔하지 않아도 장바구니 안의 물건들이 서로 영향을 주고받는다. 이 물건과 저 물건이 연결되어 있어서, 하나를 스캔하면 다른 것의 가격도 함께 영향을 받는다. 이것이 다음 편에서 이야기할 얽힘의 세계다.

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파도가 해변에 닿는 순간

바다 한가운데서 파도가 만들어진다.

파도는 넓게 퍼져나간다. 동그란 물결이 사방으로 번진다. 어느 방향으로 가는지, 어느 해변에 닿을지 아직 정해지지 않았다. 파도는 모든 방향으로 동시에 퍼져나가고 있다.

그러다 해변에 닿는 순간이 온다.

넓게 퍼져있던 파도가 해변의 특정 지점에 부딪힌다. 그 지점에서 파도가 부서진다. 수많은 방향 중 단 하나의 지점이 선택된 것이다. 나머지 방향의 가능성은 사라졌다.

해변에 닿는 그 순간이 측정이다.

큐비트가 계산하는 동안 파도처럼 퍼져있다. 수많은 가능성이 동시에 존재하며 서로 섞이고 영향을 준다. 그리고 우리가 답을 원하는 순간 해변을 만든다. 파도가 부서진다. 하나의 답이 확정된다.

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왜 측정이 그렇게 중요한가

여기서 당연한 질문이 생긴다.

그냥 언제든 측정하면 되는 거 아닌가. 답이 필요하면 그때 보면 되는 거 아닌가.

문제가 있다.

측정하는 순간 계산이 끝난다. 파도가 부서지면 다시 퍼질 수 없다. 꿈을 깨면 다시 그 꿈으로 돌아갈 수 없다. 중첩 상태가 확정되면 다시 가능성의 상태로 돌아가지 않는다.

그래서 퀀텀 컴퓨팅의 가장 어려운 기술 중 하나가 언제 측정할 것인가를 결정하는 것이다.

너무 일찍 측정하면 계산이 덜 됐는데 끝난다. 너무 늦게 측정하면 큐비트가 외부 환경의 영향을 받아 상태가 흐트러진다. 딱 맞는 순간에 측정해야 한다.

오래 끓일수록 맛있어지는 국이 있다. 그런데 너무 오래 끓이면 타버린다. 딱 맞는 순간에 불을 꺼야 한다. 그 순간을 아는 것이 요리의 기술이다.

측정의 타이밍을 아는 것이 퀀텀 컴퓨팅의 기술이다.

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사냥꾼과 활

옛날 사냥꾼이 숲에서 활을 겨누고 있다.

사냥감이 나무 사이를 지나가고 있다. 사냥꾼은 기다린다. 활시위를 당긴 채로. 너무 일찍 쏘면 사냥감이 아직 나무 뒤에 있다. 너무 늦게 쏘면 사냥감이 지나가버린다. 딱 맞는 순간, 나무와 나무 사이 빈 공간을 지나가는 그 찰나에 시위를 놓는다.

퀀텀 컴퓨터가 계산하는 동안 사냥꾼이 기다리고 있다. 큐비트들이 서로 얽히고 간섭하며 계산을 진행한다. 올바른 답의 가능성은 점점 강해지고, 틀린 답의 가능성은 점점 약해진다. 그 과정이 충분히 진행된 딱 그 순간, 측정이라는 화살을 쏜다.

화살이 날아가는 순간, 모든 것이 하나로 확정된다.

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측정이 알려주는 진실

측정에 대해 이해하고 나면, 퀀텀 컴퓨터가 왜 강력한지 더 선명하게 보인다.

클래식 컴퓨터는 모든 계산이 측정의 연속이다. 한 걸음 나아가고 확정하고, 또 한 걸음 나아가고 확정하고. 항상 확정된 상태에서 다음 단계로 간다.

퀀텀 컴퓨터는 다르다. 측정하지 않은 채로 계속 계산한다. 가능성의 상태를 유지하면서, 수많은 경우를 동시에 탐색하면서, 올바른 답을 향해 가능성을 수렴시킨다. 그리고 답이 충분히 선명해진 딱 그 순간에만 측정한다.

사진을 한 장씩 찍는 것과, 영상을 충분히 찍은 뒤 가장 아름다운 장면을 골라 사진으로 뽑는 것의 차이다.

한 번의 측정에 담을 수 있는 정보의 깊이가 전혀 다르다.

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강이 바다를 만나는 순간

강은 흐른다.

산에서 시작해 들판을 가로지르며 흘러온다. 굽이치고 갈라지고 합쳐지며, 수많은 지류를 품으며 흘러온다. 흐르는 동안 강은 넓고 다양하다.

그러다 바다를 만나는 순간이 온다.

강이 바다에 합류하는 그 지점, 강은 바다가 된다. 강이었던 것이 바다의 일부가 된다. 강으로서의 흐름이 끝나고, 바다라는 하나의 상태로 확정된다.

큐비트가 계산하는 동안 강이다. 흐르고, 갈라지고, 합쳐지고, 수많은 가능성을 품으며 나아간다. 측정하는 순간 바다를 만난다. 흐름이 멈추고 하나의 상태로 확정된다.

그리고 그 확정된 순간에 담긴 답이, 클래식 컴퓨터가 강을 수백만 번 흘려보내도 찾지 못했던 답이다.

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확인하기 전까지는 가능성이고, 확인하는 순간 현실이 된다.

이것이 측정이다. 퀀텀의 세계에서 보는 행위가 단순한 확인이 아니라 결정인 이유다. 우리가 세상을 바라보는 행위 자체가 세상을 만들어가는 과정이라는, 인류가 발견한 가장 불가사의한 진실 중 하나.

다음 편에서는 이 측정의 마법이 두 개의 큐비트 사이에서 일어날 때 어떤 일이 생기는지 이야기한다. 서울에서 동전 하나를 확인하는 순간, 부산의 동전이 동시에 결정되는 그 현상. 얽힘이다.