퀀텀의 세계(Quantum World)
| 제목 : 퀀텀의 세계 초판 발행 : 2021년 12월 20일 지은이 : 이순칠 출판사 : (주)북하우스 퍼블리셔스  |
이순칠 교수님의 지난 저서 [양자컴퓨터 21세기 과학혁명(2003)]도 참 읽기 쉽게 써주셔서 인상깊게 읽었는데, 마침 교수님의 새로운 책이 나왔다고 하여 바로 구매해서 읽게 되었다. (포스팅은 조금 늦게 하게 되었지만, 초판본을 산다는 것의 재미가 나름 쏠쏠하다.) 이미 국내에서 최초로 NMR(핵자기공명) 타입의 양자 컴퓨터를 개발하셨던 경험이 있는 교수님으로서 양자 세계와 양자 컴퓨터에 대해 일반인들도 이해하기 쉽게 글을 써주셨다. 이전 책보다 훨씬 더 이해하기 쉽고 자세하게 그리고 딱딱하지 않게 양자 물리와 양자 컴퓨팅에 대해 서술하여 주셨다. 특히 요즘 최신의 양자 플랫폼 경쟁 내용까지 다뤄주셔서 우후죽순 생겨나는 양자 스타트업과 연구기관들 그리고 공룡 IT기업들의 접근방식을 이해하는데 조금은 도움이 되었던 것 같다.
책 내용 중 기록하고자 하는 부분을 조금 작성하면 아래와 같다.
(pg 26) (이해에 관한 설명중...) ~이해하게 되면 그 사실의 의미를 제대로 파악하고 있다는 자신감을 가지게 되고, 이미 알고 있던 사실들을 사용해서 나의 표현으로 다른 사람에게 의미를 정확히 전달할 수 있다.
* 양자 컴퓨팅과는 무관하게 다른 모든 영역에 적용될 수 있는 말인 것 같다. 애매하게 무엇인가를 '안다'라고 할때 그것을 정말 알고있는지 확인하려면, 비전공자나, 초등학생, 할머니에게도 설명할 수 있을 정도로 다양한 눈높이에 맞게 표현할 수 있어야 하는 것 같다. 특히 관련해서 아래 영상은 꽤나 충격적이었다.
(IBM 연구원 Talia Gershon 박사)
(pg 33) 이 세상 삼라만상은 모두 입자인 동시에 파동이다~
(pg 42) 파동이라고 생각했던 빛이 입자의 성질도 가진다는 사실이 볼츠만에서 시작하여 플랑크를거쳐 아인슈타인에 이르러 규명된 것이다.
(pg 50) 파동이란 물체의 떨림이 공간에 퍼져나가는 현상이다.
(pg 52) ~빛은 전자기 힘의 떨림이 공간에 퍼져나가는 현상이고, 소리는 공기의 떨림이 전파되는 현상이다. 즉, 빛과 소리는 파동이다.
(pg 70) ~입자가 파동이라는 사실과 그 입자가 움직이는 궤적은 완전히 별개의 이야기이다.
(pg 71) 입자의 운동을 기술하고자 할 때는 ~ 위치를 시간의 함수로 써주면 된다. ~ 이 함수만 있으면 ~ 입자에 관한 완전한 정보를 얻게 된다. ~ 우주 속 모든 입자의 위치를 시간의 함수로 안다면 ~ 공룡 시대의 모습도 ~ 미래 지구 모습도 알 수 있다.
(pg 74) ~ 양자컴퓨터가 고전 컴퓨터보다 혁신적으로 빠른 이유는 양자 세계의 중첩 성질 때문이다 ~
(pg 78) ~ 중첩된 상태란 고유상태들이 중첩된 상태이다. ~ 양자 세계의 물체들은 고유상태에 있거나 중첩상태에 있다.
(pg 79) ~ 여러 개의 물질파가 중첩되어 있으면 각 고유상태에 해당하는 물질파의 진폭의 제곱에 비례해서 측정될 확률이 정해진다는 것이 바로 양자물리의 기본 가정이다.
(pg 102) 위치의 불확실성이 크면 파장의 불확실성이 작고, 위치의 불확실성이 작으면 파장의 불확실성이 크다. ~ 위치와 파장의 불확실성 사이의 관계는 결국 둘의 곱이 항상 일정 값 이상이어야 한다는 것
(pg 117) ~ 두 개의 입자가 독립적이지 않고 측정 결과에 영향을 받을 때, 이 두 입자는 서로 '얽혀 있다'라고 말한다.
(pg 119) ~ 양자전산이 고전전산보다 빠른 이유는 중첩에 의한 현상 가운데서도 얽힘을 활용하기 때문이라는 것
(pg 128) 불확정성 원리에 따르면, 어떤 경우이든 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수는 없다.
(pg 143) ~ 벨의 이론이 실험으로 증명되면서 자연계는 국소적이지 않다는 사실이 확실해졌다.
(pg 153~155) (연도별 주요 이벤트)
- 1980년 폴 베니오프가 제시한 양자 컴퓨터
- 1982년 리처드 파인먼이 양자컴퓨터가 있으면 고전컴퓨터로는 불가능한 계산을 처리할 수 있다는 사실 지적
- 1984년 찰스 베넷이 질 브라사르와 함꼐 양자암호통신 방법 제안
- 1993년 베넷은 양자원격이동 기술 발표
- 1994년 피터 쇼어, 공개키 암호를 깰 수 있는 양자 알고리즘 발표
- 1996년 로브 그로버가 데이터검색 알고리즘 발표
- 1997년 핵자기공명으로 양자컴퓨터 처음 구현
(pg 158) 양자원격이동은 물체를 원격이동시키지 않고 물체에 대한 정보를 원격이동시킨다.
pg 166) 양자정보과학에서는 복제가 불가능하다는 사실이 증명되어 있다.
(pg 173) ~왜 계산을 하는데 열이 발생할까? 기본 원인은 우리가 사용하는 연산이 비가역적이라는 사실에서 비롯. ~ 출력으로부터 입력을 복구할 수 없는 경우를, 거꾸로 갈 수 없다는 뜻으로 '비가역적 연산'이라고 하며, 반대로 갈 수 있는 연산을 '가역적 연산'이라고~ 컴퓨터의 비가역적 연산은 입력신호의 개수와 출력신호의 개수가 다르다는 데에서 비롯
(pg 173~175) 가역과 비가역은 열물리에서 가장 중요한 개념 중 하나이다. 열역학 제2법칙에 다르면 비가역적 과정에서는 무질서한 정도, 즉 무질서도가 증가한다. ~ 열역학 제2법칙은 보통 엔트로피 증가의 법칙이라고 불린다. ~ 비가역적 과정이 이루어지면 우리가 사용할 수 있는 에너지가 줄어든다. ~ 비가역적인 과정은 일반적으로 발열을 동반한다. ~ 1961년, 비가역적 연산에서 정보가 손실되고 정보가 손실되면 열이 발생한다는 사실을 처음 지적한 것은 롤프 란다우어였다. ~ 1973년, 베넷은 정보를 지우지 않는 연산만 수행하는 가역적 컴퓨터의 모델을 제시했다.
(pg 189) ~NOT연산과 AND 연산을 결합한 NAND연산 ~ 하나만 있으면 컴퓨터에 가능한 모든 일을 다 시킬 수 있다. 이를 '범용연산'이라고 부르는데~
(pg 190) 가장 기본적인 연산은 회전연산과 CNOT이라 불리는 연산이다. 이 두 가지를 조합하면 양자전산의 모든 연산을 할 수 있다는 사실이 증명되어 있다.
(pg 190) 고전컴퓨터의 비트를 0V와 5V의 두 전압 상태로 구현하듯이 양자컴퓨터의 큐빗 상태도 무언가 물리적 실체의 상태로 구현해야 읽고 쓸 수 있다.
(pg 192) 양자전산의 연산은 모두 가역적이므로 입력신호의 수와 출력신호의 수가 같다.
(pg 194) 중첩상태에 가해진 물리적 조작의 결과는 각각의 고유상태에 물리적 조작이 가해진 결과들이 중첩된 것과 같다
(pg 195) CNOT 연산은 얽힘이 없던 상태에 얽힘을 만들기도 하고, 얽혀 있는 상태의 얽힘을 풀기도 한다.
(pg 213~215) (양자컴퓨터의 조건)
2) 읽기, 쓰기가 가능해야 함
3) 큐빗 간의 상호작용이 있어야 함
- 상호작용이 있어야 얽힌 상태를 만들 수 있고...
4) 결맞음 시간이 길어야 한다는 것
(pg 228~229) 중첩된 상태에 연산을 하면 각 고유상태에 개별적으로 연산이 가해진다. ~ 연산이 개개의 고유상태에 따로 따로 그러나 동시에 가해진다는 점이다.
(pg 251~252) 공개키 암호체계는 두 숫자를 곱하기는 쉽지만 소인수분해를 하기는 어렵다는 사실을 이용한다. ~ 현재까지 인류가 소인수분해를 해본 가장 큰 수는 232자리 수라고 하는데~
(pg 292) 양자컴퓨터 소프트웨어는 날고 있는데 하드웨어는 아직 원시 수준이다.
(pg 299) 2019년 말 구글에서는 퀀텀 슈프리머시, 즉 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 우월함을 보이는 첫 증거를 논문으로 내놓았다.
(pg 300~302) 양자컴퓨터 하드웨어 개발에서 큰 걸림돌 중 하나는 '오류 수정의 문제'이다. ~ 양자컴퓨터에서는 1큐빗 데이터의 오류를 수정하는 데 오히려 더 많은 4개의 큐빗을 추가로 사용해야 한다. 그래서 5큐빗을 하나로 묶어서 '논리큐빗'이라고 부른다. ~ 그러므로 50큐빗의 CPU를 만들었다고 하면, 오류 없는 10개의 완벽한 큐빗을 가진 CPU라고 생각하면 된다. ~"잡음이 있는 중간 스케일 양자"기술 ~ 약 50에서 100개 정도의 큐빗을 가진 양자컴퓨터라면, 지금 당장 세상을 바꾸지는 못하겠지만 잡음에 의한 오류가 좀 있더라도 고전컴퓨터보다 더 나은 응용 분야가 있으니 활용해보자는 뜻이다.
(pg 306) 양자정보기술의 상징적인 기술 세 가진, 양자컴퓨터와 양자암호통신과 양자원격이동은 모두 베넷의 머리에서 나왔다. 이중 양자 암호통신은 2021년에 완전히 개발이 끝났고, 양자컴퓨터는 한창 개발 중이며, ~ 양자 세계의 성질을 이용한 신기술로 뜨고 있는 것이 '양자계측과학'이다. 이 기술은 얽힘 현상을 이용해서 고전기기가 도달할 수 없었던 측정의 정밀도에 도전한다.
(pg 313) 양자컴퓨터는 완벽하게 무작위로 난수를 발생시킬 수도 있다. 코전컴퓨터는 난수를 만들 때, 예를 들어 원주율 파이나 사인함수의 소수점 이하 값 등을 활용하는데, 이는 완전하게 무작위로 발생시킨 난수는 아니다. 양자 세계에서는 중첩된 상태를 측정할 때 어떤 상태가 나타날지가 완전히 확률적이므로 난수 발생에 최적이다. 자연이 제공해주는 난수 발생기인 셈이다.
* IBM 클라우드 양자컴퓨터를 이용하면, 양자 난수를 발생 시킬 수 있다.
- https://qiskit-rng.readthedocs.io/en/latest/
- https://qiskit.org/documentation/apidoc/ibmq_random.html
(pg 318) ~양자컴퓨터를 만들지 못할 이론적인 장벽은 없기 때문에 언젠가는 만들어진다. ~ 양자 물리의 르네상스를 대표하는 양자컴퓨터는 우리의 문명을 한 단계 퀀텀 점프시킬 것이다.
** 양자컴퓨터를 공부하며 많은 컨텐츠들을 접하고 있는데, 기술적인 것 외에 물리학 역사 비화나 다양한 비유들로 재미있게 머리식힐 수 있는 글을 읽을 수 있어서 참 좋았다. 뵌 적은 없지만 좋은 글을 써주신 이순칠 교수님께 참 감사하다.
추가로 양자 컴퓨팅 전반에 관해 매우 보기좋게 잘 다룬 영상이 있어 공유하고자 한다.
<Reference>
- https://image.aladin.co.kr/product/28433/26/cover500/k502835519_2.jpg
- https://www.youtube.com/watch?v=OWJCfOvochA
- https://www.youtube.com/watch?v=-UlxHPIEVqA
- https://qiskit-rng.readthedocs.io/en/latest/
- https://qiskit.org/documentation/apidoc/ibmq_random.html
"본 포스팅의 목적은 감명 깊게 읽은 책을 개인적으로 기록하고 다른이들에게 추천하기 위함입니다. 책의 본문 내용을 직접 기록한 경우 해당 부분을 눈에 띄게 표시하였으며, 저작권에 문제가 될 경우 바로 삭제하겠습니다."
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