커피 한 잔의 과학 이야기, 양자물리학 이해할 수 있을까요?

김석준 지음

주식회사 평산리서치 2025년 03월 07일 출간

작품소개

책소개

“너무나 어려운 양자물리학을 조금 쉽게 이해하는 법이 있다면”
2025년은 양자물리학 100년이 되는 해다. 최근에는 양자컴퓨터의 개발에 대한 관심이 집중되기도 한다. 미래를 위하여 선진국들은 양자컴퓨터의 개발과 다양한 양자관련 과학의 연구개발에 자원을 투입하고 있다. 미래를 열어갈 기술이 될 것이라 예상된다. 특히 양자컴퓨터는 실제 개발의 사례가 나타나고 있으며, 혹자는 2029년이면 상용화가 될 것으로 말한다. 하지만, 너무 어렵다. 이해하려 잘 설명한 내용을 봐도 잘 모르겠다. 필자는 문과생으로 물리학을 잘 모른다고 한다. 그러면서도 양자컴퓨터를 이해하기 위하여 양자물리학을 공부했다. 결과적으로 모든 것을 이해할 수는 없었지만, 본인만의 방법으로 양자컴퓨터를 바라볼 수 있을 만큼 양자물리학을 이해했다고 한다. 필자가 밝히고 있는 양자물리학을 이해하는 방법을 알아보도록 하자.

목차

0. 서문
1. 과학은 진리인가?
2. 이중슬릿 실험과 그 결과의 의미를 알아보자
3. 코펜하겐 해석의 논쟁
4. 불확정성의 원리
5. 양자컴퓨터에 적용된 양자물리학 - 중첩
6. 양자컴퓨터에 적용된 양자물리학 – 얽힘
7. 말도 안 되는 양자물리학 이야기
8. 마무리

참고문헌
작가소개

책 속으로

양자컴퓨터를 이해하려면 꼭 알아야 될 것으로 생각해서, 모르는 것을 알고자 시작했던 양자물리학의 공부가 필자를 수렁으로 빠뜨리는 듯 했다. 어떻게든 이해해보려고 대학에서 물리학과 교수를 하는 친구를 찾아갔다. 양자물리학을 이해하려고 설명을 해 달라고 했더니, 우선 전제조건을 말한다. “이해하려 하지 말라.”는 것이다. 이해시켜 달라고 온 친구에게 이해하려 하지 말라는 말은 도대체 무슨 말일까? 그의 결론은 “이해할 수 없으니 받아들이고 시작하라.”는 것이었다.
“0. 서문” 중에서

과학은 불변의 원칙을 찾고자 하는 것이 아니고 가장 설명이 가능한 원칙을 찾는 것으로, 진리 그 자체라기보다는 진리를 파악하기 위한 창 또는 관점이라고 보는 것이 맞을 것이다. 예를 들어 우리가 흔히 보고 있는 아인슈타인의 E=mc2 이라는 수식이 있다. 이 수식은 물질의 질량은 에너지로 변환할 수 있다는 의미다. 그 의미는 질량을 가진 물질과 에너지는 본질적으로 동일하고 형태만 다를 뿐이라는 말이다. 이 수식은 물리학에서 에너지를 무엇으로 볼 것인가에 대한 관점을 제공하는 것이다.
“1. 과학은 진리인가?” 중에서

불확정성의 원리라는 어려운 용어를 자연수 개의 입자와 이의 진동과 위치 등이 확률로 정의된 모든 것이라고 생각하자. 이러한 것이 실제 하는 사례에서 눈으로 볼 수 있는 것이 아니다. 눈으로 볼 수 없어서 이해할 수 없다면 믿어야 하고, 믿지 못한다면 이해는 불가능하다. 정 이해하지 못하겠다고 판단한다면 말도 안 되는 것을 수식으로 정의했다고 이해하자. 그 수식은 입자 개수에 대한 변수와 그 입자의 위치에 대한 확률 값으로 정의한다고 생각하자. 현실과 맞든 맞지 않든 그렇게 정의하면 이상하게도 수식이 딱 맞아 떨어진다고 생각하자.
“4. 불확정성의 원리” 중에서

중첩의 속성이 병렬처리가 가능하게 되는 것이 아니고, 중첩의 속성에 의하여 각 값은 확률로 정의되어 확률상태로 계산된다. 그리고 최종 관측을 하게 되면 확정 값이 되는데, 그 시도를 대수의 법칙이 만족될 만큼 많이 하게 되면 정확한 답을 구할 수 있다. 이렇게 답을 구하기 때문에 양자컴퓨터가 모든 문제를 다 잘 푸는 것은 아니고, 특정 영역의 문제를 잘 풀어낸다. 기존 컴퓨터에 비해 확률로 정의한 다음 계산을 하는 문제는 잘 풀어낸다.
“5. 양자컴퓨터에 적용된 양자물리학 – 중첩” 중에서

양자컴퓨터는 얽힘 현상을 이용하여 양자논리게이트를 만들 수 있고, 큐비트간 양자게이트를 통한 입력값과 출력값을 통해 계산을 한다. 그리고 최종 단계에서 하나의 큐비트를 관측하게 되면 이와 얽힘 관계에 있는 큐비트들이 연산을 하면서 하나씩 확정 값이 되고, 이에 의하여 최종 0과 1의 확정 값을 가진 최종 솔루션을 도출하는 것이다. 더 복잡한 연산이 필요한 경우에는 더 많은 양자게이트를 통한 얽힘 등이 복잡하게 이루어질 것이고, 양자상태의 입자를 직접 조작하여 이런 현상이 생기게 만든다.
“6. 양자컴퓨터에 적용된 양자물리학 – 얽힘” 중에서

열심히 공부한 결과 잘 알 수는 없었으나 가장 큰 교훈을 얻었다. 무식해도 용감하기만 하면 뭔가를 배울 수 있다는 것이었다. 잘 몰라도 되고 필요한 만큼만이라도 알려고 한다면 어느 정도는 배울 수 있다는 것을 알았다. 책을 탈고하려는 지금도 이 책의 내용이 맞는지 확신은 없다. 다만, 이렇게 생각하니 양자컴퓨터가 어떤 것이라는 것과 어떻게 변화해 나갈 것이라는 것, 그리고 개발이 어떻게 진행되겠다는 감은 잡을 수 있게 되었다.
“8. 마무리” 중에서

출판사 서평

양자컴퓨터가 대중의 시선을 끌기 시작하면서 양자물리학에 대한 이해의 필요가 생기기 시작했다. 특히 산업의 발전에 의하여 새로운 가치를 만들어내는 주식을 포함한 자본시장에서는 양자물리학을 응용한 많은 산업이 어떻게 발전될 것인지에 대한 관심이 커지고 있다. 하지만 양자물리학은 너무 어렵다. 수많은 책을 읽어봐도 기본적인 소양이 갖추어져 있지 않은 경우에는 잘 알아들을 수가 없다. 필자는 문과 출신으로 물리학을 공부한 적이 없다고 본인을 소개한다. 하지만 필자는 양자물리학을 이해하기 위한 끊임없는 노력으로 어느정도 이해를 할 수 있게 되었고, 이에 따라 양자관련 산업의 전반에 대하여 조금씩 이해할 수 있게 되었다고 한다. 그리고 본인만의 방법으로 이해하는 양자물리학을 소개하기 위하여 본 책을 집필했다고 한다. 정확한 과학적인 원리를 알고자 하는 분은 부족한 점이 있겠지만, 양자물리학에 대한 개요를 알고 싶은 독자들에게는 마치 어둠속의 희미한 빛과 같은 설명이 될 것이라 예상한다. 본 책에서 얻은 이해의 시작으로 양자물리학 관련 산업에 대한 전반적인 이해를 독자들이 얻을 수 있을 것으로 기대한다.

작가정보

저자(글) 김석준

현재 전문작가로 활동 중이다. 쉽게 이해할 수 있는 ICT 기술에 대해 저술하고 있다. 2019년부터 2022년까지 (재)인천창조경제혁신센터의 센터장을 역임하였다. (사)창조경제혁신센터협의회 회장을 맡기도 했다. 서울대학교 경영학과를 졸업했고 카이스트(한국과학기술원)에서 경영과학으로 석사와 박사학위를 받았다. KT에서 마케팅 및 사물인터넷 등 신사업 기획을 담당하는 상무를 역임했고, 사물인터넷과 인공지능 등 4차 산업혁명의 전문가로 활동했다.
‘4차 산업혁명 이후의 미래’(2018), ‘문과생을 위한 ICT 이야기’(2019), ‘문과생을 위한 스타트업 이야기’(2022), ‘스타트업과 공공액셀러레이터’(2023), ‘4차 산업혁명 이후의 미래 2’ (2023), ‘나 혼자 책 쓰고 책 만들기’ (2023), ‘문과생을 위한 양자컴퓨터 이야기’ (2023), ‘문과생을 위한 5G/6G 이동통신 이야기’ (2023), ‘문과생을 위한 정보통신기술과 경영’ (2024), ‘커피 한 잔의 과학 이야기, 양자컴퓨터 주식 사도 될까요?’(2025), ‘커피 한 잔의 과학 이야기, 딥시크가 인공지능을 장악하나요?’ (2025) 등 총 29권의 저서가 있다.