[아인슈타인의 베일] Ⅲ. 쓸모없는 것이 주는 이득 2022. 12. 07 걷는이 1990년대에 이르러 사람들은 양자물리학의 기초 연구를 실용적으로 웅용할 가능성들을 이야기하기 시작했다. 새로운 응용은 새로운 형태의 정보 전달 및 처리방식을 개발하는 것과 관련이 있었다. 그 논의가 이루어진 가장 중요한 영역은 양자통신과 양자컴퓨터이다. 양자통신에서는 양자물리학적인 방법을 이용한 정보 전달을 연구하는데, 기술적으로 가장 발전된 분야는 양자 암호학이다. 양자물리학적으로 광자의 편광은 기본입자의 스핀과 똑같은 방식으로 행동한다. 개별광자의 편광은 주어진 각각의 방향에 대해 나란하거나 수직일 수 있다. 양자암호 실험에 쓰이는 광자는 얽힌 광자쌍으로서, 광자 각각은 편광되어 있지 않다. 그런데 두 광자 중 하나를 측정하면 그 광자는 수직이나 수평 중 하나의 편광을 가지게 되고, 다른 광자는 첫 번째 광자의 편광 방향에 수직으로 편광되어야 한다. 따라서 많은 광자쌍들을 산출하고 측정하면 편광들의 열을 얻을 수 있고, 이것을 수직으로 변환한 열도 얻게 된다. 이처럼 양자암호는 우연열 (우연적으로 조합된 숫자나 문자의 열)을 제공한다. 순간이동에는 다양한 양태가 존재한다. 원래의 물질도 이동시켜 대상을 재구성하는 양태도 있고, 수신 장소에 있는 물질로부터 대상을 재구성하는 양태도 있다. 흥미로운 것은 이 모든 양태들에서 물질과 정보의 분리가 전제된다는 것이다. 순간이동 방법은 클로닝(복제)에도 이용될 수 있는데 고전물리학적으로 충분히 가능한 일이다. 그러나 양자물리학은 순간이동의 근본적인 문제점이 계가 어떤 정보를 가지고 있는지, 어떤 정보가 불필요한지를 미리 알기 전에는 계가 가진 전체 정보를 측정을 통해 얻는 것이 불가능하다는 것임을 말해준다. 이 문제는 하이젠베르크의 불확정성원리 때문에 생긴다. 그 원리에 따르면 한 입자의 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것은 불가능하다. 그러나 대상을 구성하는 모든 입자들의 정보를 확보하기 위해서는 위치와 운동량이 모두 필요하다. 양자물리학은 대상이 지닌 정보를 측정하지 않고 다른 곳으로 보내는 방법을 제공한다. 정보가 현존하지 않는 상태에서 정보를 읽어 내지 않으면서 정보를 전달하는 데 양자역학적인 얽힘을 이용하는 것이다. ‘얽힘’이란 두 입자 중 어느 것도 독자적으로 속성들을 가지지 못한다는 것을 의미한다. 그러나 두 입자 중 하나가 측정되면 그 입자는 속성을 얻고, 두 번째 입자도 즉각적으로 그에 대응하는 상태를 얻는다. 순간이동을 위해서 원래의 입자를 서로 얽힌 보조적인 두 입자 중 하나와 얽히게 함으로써 그 두 입자가 서로에 대해 어떻게 행동하는지에 대한 정보를 얻을 수 있다. 이제 원본과 복제본에 대한 질문이 생기게 된다. 원본은 얽힘에 의해서 모든 속성을 잃었다. 원본은 사라지고 원본의 모든 속성을 가진 새로운 입자를 다른 장소에서 가지게 되는 것이다. 오직 순간이동된 원본이 존재하게 된다. 얽힌 광자 슬릿 실험에서도 알 수 있듯이 이동된 광자가 원래 광자와 다르다고 말하는 것은 물리학적으로도 철학적으로도 무의미하다. 순간이동은 양자컴퓨터들 간의 정보 전달과 관련해서 중요한 의미를 가지게 될 것이다. 양자컴퓨터는 암호를 뚫을 수 있게 해준다. 한편 슈퍼컴퓨터조차 침입할 수 없는 안전한 정보 전달 방법을 제공한다. 암호 체계의 보안성은 양자물리학에 의해 보장된다. 양자 순간이동은 미래의 양자컴퓨터들이 서로 손실없이 정보를 교환할 수 있게 만들 가능성들을 제공한다.
양자컴퓨터는 중첩과 얽힘이라는 두 속성에 기반을 두고 있다. 컴퓨터가 처리하는 모든 정보는 비트의 형식으로 기술된다. 한 비트는 최소량의 정보이며, 오직 0이나 1의 값을 가질 수 있다. 비트와 관련해서 볼 때, 중첩은 0과 1에 대응하는 상태로 존재할 수 있는 양자계가 그 두 상태의 겹침으로도 존재할 수 있음을 의미한다. 모든 컴퓨터는 고전물리학의 원리에 따라 작동한다. 따라서 겹침은 질적으로 완전히 새로운 어떤 것이다. 미국 물리학자 슈마허는 양자비트를 ‘큐비트’라는 새로운 명칭으로 부를 것을 제안했다. 고전적인 비트로 이루어진 계는 00, 01, 10, 11의 네 가지 상태로 존재할 수 있다. 반면에 큐비트의 경우, 0과 1이 임의의 중첩으로 존재할 수 있고 한 비트 안에서 0과 1의 비중이 다양할 수 있으므로 두 큐비트의 조합에 대해서 무한히 많은 가능성들이 있다. 우리가 알아야 할 핵심적인 사실은, 고전적인 컴퓨터에서보다 양자컴퓨터에서 훨씬 더 빠르게 수행되는 알고리즘들이 있다는 것이다. |
