과학자가 양자역학에서 배운 삶의 태도, 울컥합니다 | 정연욱 성균관대학교 양자정보공학과 교수 | 인생 위로 과학

측정을 하면 상태를 바꿉니다. 우리가 매일 세상을 관찰할 때마다 세상이

여러 가능성 중에 하나로 무작기로 변해 간다는 이야기데요. 어떤

불확실성 그것을 우리가 받아들여야 되고요. 여기서 어쩌면 조금이라도

삶의 힌트를 얻을 수 있을지도 모르겠어요. 그리고 한 가지는

분명합니다.이 이 기술을 먼저 받아들이는 사람이 앞으로 다가올

새로운 세상의 언어를 먼저 말하게 되는 거예요.

네. 안녕하세요. 성균관대학교 정연욱입니다. 어, 양자역학을

공부하다 보면 이런 말이 있어요. 측정을 하면 상태를 바꿉니다.

측정이라는 건 우리가 어떤 걸 관찰하고 확인하는 건데 그 때문에

우리가 보는 대상이 상태가 바뀐다는 거죠. 아, 이게 말이 안 된다고

생각할 수도 있는데 이게 양자 역학이 우리한테 이상하게 느껴지는 사실

핵심이 됩니다. 사실 양자역학 이전에는요. 우리가 사는 세상은

우리가 관찰을 하건 안 하건 그냥 알아서 잘 흘러가고 있을 것이라고

생각하는게 보편적인 생각이었습니다. 하지만 양자 컴퓨터 같은 양자

기계들이 세상에 등장한 지금에는 저같이 이제 실험시에서 매일매일 이런

양자 학적 관찰을 하고 있으면 말입니다. 아, 이게 세상의

본질이구나. 내가 관찰을 하는 행위가 세상에 영향을 주는구나. 그리고

측정이라는 것이 양자역학의 본질이군 하는 믿음을 갖게 됩니다.

올해는 양자역학이 태어난지 100년이 된 회입니다. 그리고 이제 양자

컴퓨터 같이 완전히 양자학적 원리를 바탕으로 해서 작동하는 기계들이

현실로 등장을 하고 있어요. 이게 사실 정말 대단한 변화입니다.

100년 전에 양적학을 만들었던 그 천재분들은 100년 있다가 이런 일이

일어날 거라고 상상을 했을까라는 그런 궁금증이 생기기도 해요.

근데 이제 한편으로 이제이 양자 역학에서 측정이라는 행위가 우리에게

주는 메시지가 있긴 합니다. 저에게도 많은 생각을

하게 합니다. 우리가 매일 세상을 관찰할 때마다 세상이 여러 가능성

중에 하나로 무작기로 변해간다는 이야기데요. 이건 사실 뭐 에버리

말한 다중 우주라는 해석하고도 연결된다고 할 수 있는데 오늘 그런

어려운 얘기를 하려고 하는 건 아니고요. 그냥 정해진 답 없이 아주

수많은 열린 가능성 속에서 살아가는 어떤 불확실성

그것을 우리가 받아들여야 되고요. 그것을 양자역하게 우리에게 가르쳐

주는게 아닐까 그런 생각을 한번 공유해 보고자 합니다.

양자학은 우리가 일상에서 잘 접하기 힘든 이야기를 하는 아주 이상한

학문입니다. 두 가지 상태가 동시에 존재하는 중첩, 그 멀리 떨어진

물건끼리 즉각적으로 영향을 준다고 하는 얽힘. 그리고 관찰하는 순간에

상태가 결정된다고 하는 측정까지 사실 우리가 살다가 보면 그런 일을 잘

보기 어려운데 그 살다가 보면 또 결과는 예측대로 되지 않고요. 그리고

우리가 의도한 대로 일들이 흘러가지도 않고 우리는 사실 무수한 가능성

속에서 어쩌면 양자학에 대해서 매 순간 새로운 결정을 하고 있는 어떤

열린 결말의 인생을 살고 있구나 이런 생각을 할 수도 있겠습니다.

자, 오늘은 양자 기술이 가져온 양자 기계의 어떤 그 현상들을 좀

이야기하려고 합니다. 그리고 이제 이제 우리는 양자 기계들과 함께

살아가야 될지도 모르는 그런 미래에 양자 역학의 측정이 가져다 주는 매

순간의 선택 그리고 열린 결말 그리고 불확실함에 대해서 이야기를 하려고

합니다. 여기서 어쩌면 조금이라도 삶의 힌트를 얻을 수 있을지도

모르겠어요. 어, 제가 연구하는 분야는 큐비트하고

양작 컴퓨터입니다. 그중에서도 초도체라고 하는 물질을 이용해서

작동하는 그런 기계를 만드는 건데요. 초도 방식은 사실 구글, IBM 같은

큰 커다란 이제 양자 컴퓨터 기계들 그 기업들이 사용하는 방식이죠.

사실 양자 컴퓨터를 과연 컴퓨터라고 부르는게 적절할까? 그냥 양자

머신이나 양자 기계라고 불리는게 좋지 않을까라고 항상 이야기해 왔는데요.이

기계는 지금까지 세상에는 없던 아주 새로운 무언가가 등정한 것이고

완전히 양작학적으로 동작하는 기계이고요.

그 와중에 컴퓨터처럼 계산도 할 수 있는 그런 기계라고 생각하시면

되겠습니다. 음.

자, 여기 웨이퍼가 보일지 모르겠는데요.

웨이퍼에 보시면은 큐비트 소자들이 막 들어 있고요.

여기 보이는 네모 하나하나마다 큐비트가 20개씩 들어 있는 소자가

여러 개 들어 있는 웨이퍼입니다. 보통은 전자 회로를 만들면

트랜지스터가 있다고 얘기한다면은 큐비트가 이렇게 모여 있는이 회로는

양자 컴퓨터를 만드는 기본이 되고요. 그래서 큐비트는 양자 컴퓨터를 만드는

기본이라고 할 수 있겠습니다. 자,이 큐비트들은 각각 중첩, 얽힘, 그리고

양제역학적인 측정을 다 가능하게 하 하는데요. 큐비트를 만드는 것도

어려운 일이지만 사실 그보다 큐비트를 모아 가지고 제대로 작동하는 회로를

만드는 건 또 다른 도전이에요. 어떤 큐비트를 어디에다가 어떤

방식으로 어떻게 연결할 건지 온도를 어떻게 조정할지 얼마나 다양한 연산을

수행할 수 있게 만들지 이런게 모두 성능을 좌우하게 됩니다. 양자

컴퓨터를 설계하고 제작하는 일은 단순히 좋은 부분품을 모아놓는게

아니에요. 그 부품들이 다 함께 작동해서 완전히 새로운 역할을 하게

만드는 일입니다. 그 유명한 MIT의 교수인 아이작

추앙이 얼마 전에 어떤 학교에서 이런 말을 했었습니다. 양자 공학은 병을

고치는게 아니라 사람을 살리는 일이다.

왜냐면 우리가 병을 하나하나 고칠 수는 있을지 몰라도 결국 목표는

사람은 살리는 일이라고 한다면 그러니까 저 양자 컴퓨터가 제대로

작동한다고 하면 어느 병 하나만 완전히 고치는 것만으로는 절대

충분하지 않다는 이야기입니다. 할 일이 굉장히 많이 있다는 얘기고요.

사실 아직은 완전한 정답이 있는 것도 아니라서요. 지금도 전 세계

연구자들이 각각 누구도 가보지 않은 길을 가기 위해서 매일 새로운 방식을

시도하고 있는 겁니다. 창의성, 끈기 그리고 불확실성을

감내하는 어떤 힘이 필요한 영역입니다.

뭐 이렇게 말할 수 있어요. 양자 컴퓨터를 만드는 것은 기술을 넘어서

인간이 상상력과 끈기를 테스트하는 여정이다.

그리고 제가 지금 그 여정을이 자리에서 함께하고 있을 수 있다는

것이 저에게는 행운이고 큰 의미입니다.

자, 양자 컴퓨터를 만든다는 건 그냥 새로운 기계를 설계하는 일이

아닙니다. 우리는 완전히 새로운 시각으로 세상을 바라봐야 됩니다. 그

양자 기술의 원리를 사실은 여기서 이제 뭐 좀 설명을 하는 거는 그렇게

쉽지는 않아요. 양자연상은 우리가 아직 일상에서 경험하지 못하기 때문에

우리의 언어에 양자연상을 쉽게 표현하는 어떤 방법이 아직은 없는

거지요. 중첩하고 측정이 어떤 것인지 왜

우리가 이걸 이상하게 여기는지 한번 비유를 들어서 설명을 보기로

하겠습니다. 예를 들어서 도미

두 개의 음이 있다고 하면 디지털 세계에서는 두음을 따로따로 누르면서

정보를 처리하면 됩니다. 한번 볼까요?

네. 또 한번 눌러 볼까요? 네. 그런데 이걸 동시에 누르면 뭐가

되죠? >> 화음이 됩니다.

[음악] 네. 이게 중첩입니다. 두 개의

상태가 같이 존재하는 것. 그리고 지금 제가 도와미를 함께 누르면

그리고 또 이거를 또 각각 세기를 조절할 수도 있어요. 그러면 우리는

도와의 화음을 듣게 됩니다. 또 한번 볼까요?

[음악] 네. 조금 더 세기를 두절해 본다고

하면은요. 네. 뭐 크게 어색하지 않죠?

어, 이거 우리가 잘 아는 화음이에요.

여기까지는 별로 이상하지 않은데 양자의 세계에 들어가면 이상한 일이

벌어집니다. 이제 제가 그냥 다시 도하고 미를 동시에 눌러서 화을

만들었다고 생각해 볼게요. 중첩을 만든 것이죠. 그리고 도하고 세계를

서로서로 조절해 가면서 중첩을 조절하는 것이 양자 컴퓨팅을 하는

일입니다. 여기까지 별로 이상하지 않은데 우리가 이제 맨 마지막에

그음을 듣고 싶어서 우리의 귀를 기울여 보면 이상하게도 우리는도 또는

미 둘 중에 하나의 음만 듣게 됩니다. 제가 열심히 중첩을 만든

다음에 들어보도록 하겠습니다. 들려 주세요.

음. 다시 한번 들어 볼까요? [음악]

왜냐면 양자 상태는 듣는 그 순간에 상태가 하나로 정해져 버리는 겁니다.

이게 양자학의 측정이라는 순간입니다. 그럼 도하고 미의 화음을 측정을 하면

둘 중에 무슨음을 들어야 하는 걸까요?

똑같이 도와미가 섞인 상태에서 측정을 하더라도 어떤 때는 도가 나오고 어떤

때는 미가 나온다는 얘기입니다. 열번을 똑같은 걸 해 보면 도가 여섯

번 미가네 번 예를 들어 나오게 되고 이게 양자 측정입니다.

결과가 확률로만 정해져 있고 그 확률을 조절하는게 화음의 세계를

조절하는게 양자 컴퓨터가 하는 일이에요.

그리고 그것을 양자 학적으로 읽어내는 측정의 결과가 저렇게 보이는 겁니다.

이렇게 중첩 상태를 쓰고 조작할 수 있는 회로가 큐비트라고 하는

것이고요. 저는 세상에서 아직은 가장 많이 쓰고 있는 방식인 초전도체로

큐비트를 만들고 연결하는 일을 합니다. 회로 하나 안에 수십개

큐빗을 넣고 그걸 연결해서 화음을 만들듯이

새로운 상태를 조합해서 만들어 내죠. 이렇게 해서 만들어진 회로는 맨

마지막에 소리를 듣기 전까지는 여러 가능성이 중첩이 돼 있는 상태인

겁니다. 그리고 측정 즉 소리를 듣는 순간에 하나의 결과로 선택돼서 나오는

거예요. 저는 이런 중첩된 가능성을 측정으로 붕괴시키면서 계산에 활용하는

그런 세상을 양자 컴퓨터를 직접 만들고 있습니다. 어, 제 생각에

지금 세상에 현재 존재하는 가장 강력한 양자 컴퓨터는

구글의 윌로우라는 칩입니다. 큐비트 105개가 연결되어 있는 회로인데

매우 정확하고요. 유연성이 높아서 다양한 양자 알리듬을 돌릴 수

있어요. 작년 12월에이 컴퓨터는 의미 있는

양자 오류 정정 기술을 처음으로 선보였습니다. 양자 컴퓨터가 안정적인

계산 도구가 되기 위해서 아주 중요한 진보를 이루었습니다.

근데 솔직히 말하면이 정도의 양자 컴퓨터가 세상을 바꿨다고 할 수는

없습니다. 그니까 사람들은 의심을 하죠. 아,

이게 쓸모가 있는 기술이 될 수가 있을까? 언제쯤 우리 삶에 정말 큰

영향을 줄까? 어, 저는 그 질문에 이렇게 대답을

하고 싶어요. 우리는 아직 그걸 확신할 수 없지만

어쩌면이 기술은 그렇기 때문에 훨씬 더 매력적입니다.

왜냐하면요. 기술의 역사에서 가장 중요한 변화는 항상 아직은 안 되는

기술을 가장 먼저 붙잡은 사람들이 만들어 냈거든요.

컴퓨터가 처음에 나왔을 때도 전 세계 컴퓨터는 열 대만 있으면 돼라고

했었고요. 스마트폰이 처음 나왔을 때는 전화계에

단추가 없는데 이걸 어떻게 쓰나 그렇게 비웃는 사람들도 있었어요.

근데 지금은 어떤가요? 그 기술들이 모두 우리의 일상이 되어 버렸습니다.

양자 기술도 마찬가지입니다. 아직 완성되지 않았지만 완성되지 않았기

때문에 우리 모두가 지금 기어할 수 있는 분야예요.

그리고 한 가지는 분명합니다. 지금이 기계를 이해하고이 기술을 먼저

받아들이는 사람이 앞으로 다가올 새로운 세상의 언어를 먼저 말하게

되는 거예요. 자, 양자하게 우리에게 알려주는 건

매번 확률적으로 무작기로 결정되는 불확실성이 사실 세상의 본질이고

새로운 가능성이 태어나는 열린 공간이라는 점입니다.

세상이 빠르게 바뀌어 가는 지금 우리는 앞으로 나가게 하는 거는 어떤

완성되 있는 답이 아니고 어쩜 내가 움직일 때 그 세상이 그 한 번의

측정에 의해서 변하는 확률적인 불확실한 상태에서도 우리는 행동할 수

있는 어떤 용기라고 할 수 있겠습니다.

미래를 완벽하게 예측하기는 과학도 이렇게 허용하지 않는데 그럼 예측이

어렵더라도 일단 먼저 한번 시작해 보는 마음 그리고 아직 미래는

결정되지 않았다는 것을 믿는 그런 마음이죠.

어쩌면 앞으로 세상은이 중첩된 세상을 특정으로 변화시키는

양자 인간적인 사고를 하는 사람들의 몫일지도 모릅니다.

양자 기계를 만든다는 건 사실 정답이 없는 일을 계속 시도하고 또 실패하고

또 조정하는 일을 반복하는 겁니다. 사실 그런데 말이에요. 그게 꼭

과학자들만의 일은 아닌 거 같더라고요. 우리 살아가는 일상도

그렇잖아요. 어떤 일도 계육대로 흘러가는 그런 인생은 잘 없는 거

같고요. 매 순간 우리는 선택을 하고 또

선택을 하고 나면 그 결과를 믿고 또 나아가는 거죠. 양자학은 우리에게

말합니다. 세상은 애처에 많은 가능성들이 중첩돼

있는 거라고. 그리고 우리가 그것을 선택할 때 무엇이 나올지 모르는

불확실성이 있는 것이 정상이라고. 그러니까 너무 완벽한 계육에만

매달리지 않아도 된다고요. 때로는 결과보다 측정하기 전에 상태를

그 자체를 존중하는 것이 더 창의적이고 더 인간적인 길일 수도

있습니다. 하지만 또 일단 무엇을 측정을 해

가지고 결과가 나오면 그 선택의 결과를 믿고 한 발 한 발 더

나아가는 것이죠. 양자 측정이 주는 삶 힌트라고나

할까요? 우리의 미래는 확실해서 좋은 것이

아니고 불확실성이 있기 때문에 더 아름답습니다.

그 불확실함 속에서 우리는 능동적인 선택과 측정을 하고 살아가는

것이고요. 그래서 어쩌면 또 새로운 결말이

기대되는 열린 결말의 희망이 항상 있는 것이니까요.

감사합니다. [박수]

[음악]