퀀텀점프-얽힘은 퀀텀 컴퓨터의 비밀 무기다

얽힘은 퀀텀 컴퓨터의 비밀 무기다

동시에 수많은 경우를 탐색한다는 것의 진짜 의미

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보물찾기 이야기

운동장에 보물이 숨겨져 있다.

백 개의 구멍 중 하나에 들어있다. 어느 구멍인지 모른다.

혼자서 찾는다. 첫 번째 구멍을 판다. 없다. 두 번째 구멍을 판다. 없다. 세 번째, 네 번째, 다섯 번째. 운이 나쁘면 아흔아홉 번째 구멍까지 파야 한다. 시간이 걸린다.

이번엔 친구 백 명과 함께 찾는다. 각자 다른 구멍을 동시에 판다. 백 배 빠르다. 좋다.

그런데 진짜 문제가 생긴다. 보물이 숨겨진 구멍이 특별한 규칙으로 결정된다면 어떨까. 세 번째 구멍과 일곱 번째 구멍과 열세 번째 구멍이 서로 연결되어 있어서, 세 개 중 하나에만 보물이 있고 나머지 둘에는 함정이 있다. 세 개를 동시에 파야 진짜 보물이 나온다. 혼자 파면 함정에 빠진다.

백 명이 각자 독립적으로 파면 이 규칙을 파악하지 못한다. 누군가 세 번째 구멍을 파고 있는 동안 다른 누군가가 일곱 번째를 파고 있는지 모르기 때문이다.

얽힌 친구들이라면 다르다. 세 번째 구멍을 파는 순간, 일곱 번째와 열세 번째를 파는 친구들이 동시에 그 정보를 느낀다. 세 개가 함께 움직인다. 함정을 피하고 보물을 찾는다.

얽힘이 단순히 동시에 찾는 것보다 강한 이유가 여기 있다. 연결된 채로 동시에 찾기 때문이다.

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미로 속의 군대

거대한 미로가 있다.

갈림길이 수백 개다. 각 갈림길마다 왼쪽 아니면 오른쪽을 선택해야 한다. 경우의 수가 우주의 원자 수보다 많다.

장군이 병사를 보낸다.

첫 번째 방식. 병사 한 명을 보낸다. 왼쪽으로 갔다가 막히면 돌아오고 오른쪽으로 간다. 평생이 걸린다.

두 번째 방식. 병사 백만 명을 보낸다. 각자 다른 경로로 동시에 탐색한다. 훨씬 빠르다. 그런데 문제가 있다. 미로의 갈림길이 연결되어 있다. 동쪽 구역의 길이 막히면 서쪽 구역의 경로도 자동으로 막힌다. 병사들이 이 사실을 모른다. 막힌 길인 줄 모르고 계속 들어간다. 시간을 낭비한다.

세 번째 방식. 얽힌 병사 백만 명을 보낸다.

이 병사들은 특별하다. 한 명이 막힌 벽에 부딪히는 순간, 얽혀있는 나머지 전원이 동시에 그 사실을 안다. 신호를 보내지 않아도 된다. 무전기도 필요 없다. 그냥 안다. 그리고 막힌 경로로 가려던 병사들이 즉각 방향을 바꾼다.

반대로 출구를 향해 열린 경로가 발견되면, 그 방향으로 가는 병사들이 모두 동시에 강화된다. 틀린 길은 저절로 지워지고, 맞는 길은 저절로 밝아진다.

미로 전체가 하나의 지성으로 탐색된다.

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형사 팀의 두 가지 방식

연쇄 사건이 발생했다.

용의자가 천 명이다. 증거가 복잡하게 얽혀있다. A의 알리바이가 B의 행적과 연결되어 있고, B의 행적은 C의 진술에 따라 달라진다.

첫 번째 팀. 형사 열 명이 각자 맡은 용의자를 독립적으로 수사한다. A 담당 형사가 알리바이를 확인한다. B 담당 형사가 행적을 추적한다. 각자 열심히 한다. 그런데 A와 B의 사건이 연결되어 있다는 것을 모른다. 각자의 수사가 서로 엇갈린다. 한쪽에서 파악한 것이 다른 쪽 수사를 뒤집는다. 조율하느라 시간을 낭비한다.

두 번째 팀. 얽혀있는 형사 열 명이다.

A 담당 형사가 알리바이에서 이상한 점을 발견한 순간, 나머지 형사 전원이 동시에 그 정보를 느낀다. B 담당 형사가 즉각 행적을 다시 들여다본다. C 담당 형사가 진술을 재검토한다. 전체 사건이 하나의 눈으로 동시에 바라보인다.

한 곳에서 실마리가 풀리면 전체가 동시에 조여진다. 한 곳에서 막히면 전체가 동시에 방향을 바꾼다.

이 팀이 사건을 푸는 속도는 첫 번째 팀과 비교할 수 없다. 사람 수가 같아도.

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요리 경연 대회

요리 경연 대회가 열렸다.

과제는 재료 백 가지로 만들 수 있는 가장 맛있는 요리를 찾는 것이다. 재료들이 서로 어울리는 조합이 있고, 어울리지 않는 조합이 있다. 어울리는 조합끼리 만나면 맛이 폭발적으로 좋아진다. 어울리지 않는 조합끼리 만나면 독이 된다.

첫 번째 참가자. 혼자 모든 조합을 시도한다. 재료 1번과 2번. 맛을 본다. 기록한다. 재료 1번과 3번. 맛을 본다. 기록한다. 백 가지 재료의 모든 조합을 다 시도하면 수천 번의 요리가 필요하다. 대회가 끝날 때까지 못 끝낸다.

두 번째 참가자. 얽힌 요리사 팀이다.

이 팀의 요리사들은 서로 연결되어 있다. A 요리사가 1번 재료와 2번 재료를 섞는 순간, 나머지 팀원들이 동시에 그 맛을 느낀다. B 요리사는 즉각 3번 재료가 이 조합에 더해지면 어떻게 될지 감지한다. C 요리사는 4번 재료를 시도해본다. 전체 팀이 동시에 서로 다른 조합을 탐색하면서, 그 탐색 결과가 실시간으로 전체에 공유된다.

어울리지 않는 조합은 즉각 전체 팀에 알려지고 그 방향의 탐색이 멈춘다. 어울리는 조합은 전체 팀이 동시에 강화한다.

수천 번의 요리를 하나씩 시도하는 것과, 팀 전체가 동시에 느끼며 탐색하는 것. 어느 쪽이 더 빠르고 정확한지는 물어볼 필요도 없다.

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나무의 뿌리와 개미의 길

나무 한 그루가 물을 찾는다.

뿌리가 땅속으로 뻗어나간다. 하나의 뿌리가 아니다. 수천 개의 뿌리가 동시에 사방으로 퍼진다. 그런데 이 뿌리들은 연결되어 있다. 한 뿌리가 물을 감지하면, 나무 전체가 그 방향으로 에너지를 보낸다. 물이 없는 방향의 뿌리들은 성장을 멈추고, 물이 있는 방향의 뿌리들은 더 빠르게 뻗어나간다.

개미가 먹이를 찾는 방식도 비슷하다. 수백 마리가 동시에 사방으로 퍼진다. 그런데 이 개미들은 페로몬으로 연결되어 있다. 먹이를 찾은 개미가 페로몬을 남기면, 다른 개미들이 그 신호를 감지하고 같은 방향으로 모인다. 막힌 길은 페로몬이 옅어져서 자연스럽게 포기된다. 열린 길은 페로몬이 짙어져서 더 많은 개미가 몰린다.

얽힌 큐비트들이 이 뿌리들이고 개미들이다. 동시에 수많은 방향을 탐색하면서, 서로 연결되어 있어서 하나의 발견이 전체에 즉각 반영된다. 막힌 경로는 저절로 약해지고 열린 경로는 저절로 강해진다.

그리고 나무가 물을 찾는 것처럼, 퀀텀 컴퓨터는 답을 찾는다.

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강이 바다로 가는 길

산에서 비가 내린다.

빗물이 땅을 적신다. 물이 모인다. 작은 물줄기가 생긴다. 이 물줄기는 바다를 향해 흘러간다.

물은 모든 경로를 동시에 시도한다. 낮은 쪽으로, 더 낮은 쪽으로, 동시에 수천 갈래로 흐른다. 막히면 옆으로 돌아간다. 여러 물줄기가 합쳐지면 더 강해진다. 결국 가장 자연스러운 경로, 즉 가장 빠르게 바다에 닿는 경로에 물이 집중된다.

물이 이 경로를 찾는 데 한 번씩 시도하며 계산하지 않는다. 물리학이 자연스럽게 최적의 경로를 만들어낸다.

얽힌 큐비트들이 탐색하는 방식이 이 물의 흐름과 비슷하다. 억지로 모든 경우를 하나씩 시도하는 것이 아니다. 연결된 채로 동시에 흐르면서, 막힌 경로는 자연스럽게 약해지고 열린 경로는 자연스럽게 강해진다. 그리고 최적의 경로에 답이 모인다.

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수천 개의 낚싯대

물고기를 잡아야 한다.

첫 번째 방식. 낚싯대 하나를 드리운다. 물고기가 오기를 기다린다. 안 오면 다른 곳으로 이동한다. 한 번에 한 곳이다.

두 번째 방식. 낚싯대 천 개를 동시에 드리운다. 호수 전체를 커버한다. 훨씬 많은 물고기를 잡는다.

그런데 여기에 추가 조건이 있다. 물고기들이 무리를 지어 다닌다. 어느 낚싯대에 물고기가 나타나면, 근처 낚싯대에도 물고기가 있을 가능성이 높다. 이 정보를 활용해야 더 잘 잡을 수 있다.

독립적인 낚싯대 천 개는 이 정보를 공유하지 못한다. 각자 독립적으로 기다린다.

얽힌 낚싯대 천 개는 다르다. 하나에 물고기가 잡히는 순간, 나머지 전체가 동시에 그 정보를 느낀다. 주변 낚싯대들이 즉각 반응한다. 물고기 무리가 있는 방향으로 탐색이 집중된다.

단순히 천 배 빠른 것이 아니다. 연결되어 있기 때문에, 독립적인 천 개보다 훨씬 강력하다.

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공장 이야기로 돌아와서

다시 현실로 가져오자.

공장 기계가 고장날지 예측해야 한다. 온도, 진동, 전류, 소음이 복잡하게 얽혀있다. 수백만 가지 조합이 있다. 어떤 조합이 고장의 신호인지 찾아야 한다.

클래식 컴퓨터가 이것을 찾는 방식. 온도가 높고 진동이 강한 경우를 계산한다. 다음에 온도가 높고 진동이 약한 경우를 계산한다. 다음에 온도가 낮고 진동이 강한 경우를. 수백만 가지를 하나씩.

얽힌 큐비트들이 이것을 찾는 방식. 온도를 담은 큐비트, 진동을 담은 큐비트, 전류를 담은 큐비트, 소음을 담은 큐비트가 서로 얽혀있다. 온도가 변하는 순간 나머지 전체가 동시에 반응한다. 수백만 가지 조합이 동시에 탐색된다. 고장과 관련된 조합은 점점 선명해지고, 관련 없는 조합은 점점 흐려진다.

클래식이 수백만 번 걸어야 하는 길을, 얽힘은 한 번에 느낀다.

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얽힘이 비밀 무기인 진짜 이유

지금까지 이야기한 것을 하나로 모으면 이렇다.

동시에 탐색하는 것만으로는 부족하다. 각자 독립적으로 동시에 탐색하면 빠르기는 하지만, 복잡하게 연결된 문제에서는 한계가 있다.

얽힘이 만드는 것은 단순한 동시성이 아니다. 연결된 동시성이다.

수천 명이 각자 혼자 미로를 탐색하는 것과, 수천 명이 하나의 신경망으로 연결되어 미로를 탐색하는 것의 차이다.

수천 마리의 물고기가 각자 헤엄치는 것과, 수천 마리가 하나의 무리처럼 움직이는 것의 차이다.

얽힘이 이 연결을 만든다. 그리고 그 연결이 세상에서 가장 복잡한 문제들을 풀 수 있는 힘의 원천이다.

안드로이드가 순간적으로 수백 개의 센서를 동시에 처리해야 할 때, 신약 개발에서 수조 가지 분자 조합을 탐색해야 할 때, 기후 변화 시뮬레이션에서 지구 전체의 변수를 동시에 계산해야 할 때.

이 모든 문제가 얽힘이 있어야 풀린다. 연결된 채로 동시에 탐색하는 것. 그것이 얽힘이 퀀텀 컴퓨터에 주는 가장 강력한 무기다.