오늘은 언더스탠딩 채널의 유튜브 영상 ‘[특별 편집본] 이번 생 마지막 양자역학 강의 몰아보기 (카이스트 김갑진 교수)’를 함께 파헤쳐 보겠습니다. 대통령까지 꽂혔다는 양자 컴퓨터, 그리고 그 근간인 양자역학! 어렵다고요? 걱정 마세요! 오늘 강의를 통해 여러분은 양자역학이 왜 어렵다고 하는지, 그리고 그 ‘이해불가’의 영역이 어떻게 미래를 바꿀 양자 컴퓨터로 이어지는지 명쾌하게 이해하게 될 겁니다. 자, 집중!

섹션 1: 양자역학, “이해할 수 없다”는 말의 진짜 의미!

여러분, 혹시 파인만의 명언 들어보셨나요? “양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다.” 이 말을 듣고 가슴을 쓸어내린 분들 많을 겁니다. ‘아, 나만 이해 못하는 게 아니었어!’ 사실 파인만이 이 말을 한 이유, 바로 오늘 이 강의에서 파헤쳐볼 겁니다.

고전 역학에서는 지금 내 위치, 속도, 가속도만 알면 2초 후에 내가 어디 있을지 정확히 예측할 수 있죠? 로켓이 어디로 날아갈지, 야구공이 어디에 떨어질지 다 계산 가능합니다. 하지만 이 ‘미래 예측 가능성’은 아주 작은 세계로 들어가면 깨져 버립니다. 먼지까지는 예측이 되지만, 원자 안의 전자처럼 아주 작은 입자들은 예측이 안 됩니다. 원리적으로요!

이게 바로 양자역학의 핵심입니다. 자, 여기 별표 세 개! ⭐⭐⭐ 크기를 점점 줄이다 보면, 어느 순간 그 ‘입자’가 ‘파동’으로 변해버린다는 겁니다! 당구공처럼 튕기는 알갱이가 아니라, 물결처럼 쑥 지나가는 파동으로요.

그럼 왜 우리 몸은 벽을 통과하지 못할까요? 우리 몸도 원자로 되어 있는데 파동이라면 벽을 뚫고 지나가야 할 것 같잖아요? 정답은 바로 ‘전자’에 있습니다. 우리 발 밑의 원자 전자와 땅의 원자 전자가 서로 ‘밀어내는 힘’ 때문에 우리는 땅에 서 있을 수 있는 겁니다. 이 밀어내는 힘을 양자역학에서는 ‘파동’이라고 보는 거죠. 우리가 딱딱하다고 느끼는 건 사실 전자가 밀어내는 힘을 느끼는 것에 가깝습니다.

더 기가 막힌 건, 빛도 마찬가지라는 겁니다. 아인슈타인이 노벨상을 받은 ‘광전 효과’는 빛이 알갱이처럼 전자를 튀어나오게 한다는 것을 증명했어요. 빛은 분명 파동인데 말이죠! 반대로, 드브로이 역시 전자가 파동처럼 ‘회절 무늬’를 만드는 것을 증명하여 노벨상을 받았습니다. 이처럼 빛도 전자도 ‘입자이면서 동시에 파동’이라는 이중성을 가지고 있습니다.

그럼 어디서부터 양자적 현상이 나타날까요? 그 기준은 바로 ‘드브로이 파장(λ = h / mv)’ 이 식에 여러분의 질량과 속도를 넣어 계산하면 ‘파장’이 나옵니다. 우사인 볼트가 아무리 빨라도 그 파장은 몸집에 비해 너무 작아서 입자처럼 보입니다. 하지만 전자는 질량이 너무 작아 파장이 원자 크기만 해져서 파동처럼 행동하는 거죠!

심지어 온도만 낮춰도 파동처럼 만들 수 있습니다. 공기 분자의 속도가 느려지면 (온도가 낮아지면) 파장이 커지면서 파동의 성질이 나타나는데, 온도를 절대 0도에 가깝게 (0.001 켈빈 정도까지) 낮추면 산소 분자들이 파동처럼 합쳐지는 ‘보즈-아인슈타인 응축’ 현상이 나타납니다. 야, 이거 진짜 대단하죠?

그럼 사람도 온도를 낮추면 파동이 될까요? 원리적으로는 가능하지만, 우리 몸의 엄청난 수의 원자들이 ‘결’을 맞춰 파동처럼 행동하기란 쉽지 않습니다. 마치 형광등 빛은 결이 안 맞아 퍼지지만, 레이저는 모든 빛의 파장이 결을 맞춰 멀리까지 직진하는 것과 같아요.

섹션 2: 보이지 않는 세계의 기이한 현상들: 파동, 중첩, 그리고 관측!

양자역학이라는 이름의 ‘양자(量子)’는 ‘띄엄띄엄 떨어진 양’을 의미합니다. 전자가 원자 핵 주위를 돌 때, 1번 궤도, 2번 궤도, 3번 궤도처럼 정해진 궤도만 돌고 1.5번 궤도는 존재할 수 없다는 거죠. 왜냐고요? 파동이 한 바퀴 돌았을 때 처음과 끝이 정확히 맞아야만 살아남고, 어긋나면 결국 상쇄되어 사라지기 때문입니다. 이게 바로 양자화의 원리입니다.

다음으로 ‘불확정성 원리’입니다. 자, 아까 여러 파동을 합쳐서 가운데 뾰족한 파동을 만들었죠? 여기서 파동이 ‘어디 있냐’고 물으면 ‘가운데’라고 답할 수 있지만, ‘파장이 얼마냐’고 물으면 여러 파장이 섞여있어서 답할 수 없습니다. 파장이 곧 속도와 관련이 있으니, 위치를 정확히 알면 속도를 모르는 것이고, 속도를 알면 위치를 모르는 겁니다. 미시 세계에서는 위치와 속도를 동시에 정확히 알 수 없습니다. 이게 바로 미래 예측이 안 되는 이유죠.

하지만 진짜 머리 아픈 개념은 지금부터입니다. 자, 여기 별표 세 개! ⭐⭐⭐ 바로 ‘중첩(Superposition)’입니다. 양자역학에서는 전자가 1번 궤도와 2번 궤도에 ‘동시에’ 존재하거나, 스핀이 ‘업’과 ‘다운’ 상태에 ‘동시에’ 존재할 수 있다고 말합니다. 여러분의 여자친구가 침대에 누워있으면서 동시에 편의점에서 맥주를 사고 있는 상황과 같은 겁니다.

“잠깐, 여기서 퀴즈!” 🧐 그럼 동시에 존재하는 걸 확인할 수 있나요? 정답은 ‘아니요!’ 우리가 ‘관측’하는 순간, 두 개의 중첩된 상태 중 하나로 ‘붕괴’된다는 겁니다. 침대에 있는 여자친구를 ‘보는 순간’ 편의점에서 사라져 버리는 거죠. 이게 바로 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 사고 실험의 핵심입니다.

스핀 실험을 보면 더 기가 막힙니다. 옆으로 된 스핀을 쏘면 위나 아래로만 측정되고, 가운데는 아무것도 안 나옵니다. 옆으로 된 스핀은 ‘업’과 ‘다운’의 중첩 상태인데, 관측하는 순간 둘 중 하나로 결정된다는 겁니다.

이해가 안 되시죠? 당연합니다! 최고의 물리학자들도 이걸 놓고 “생각할 필요가 없다. 관측하기 전에는 실제하지 않기 때문”이라고 말할 정도니까요.

섹션 3: 고전 컴퓨터의 한계를 넘어선 ‘양자 컴퓨터’의 탄생!

이 복잡하고 이해하기 어려운 양자역학적 현상들을 가지고 컴퓨터를 만든다니, 이거 말이나 됩니까? 하지만 ‘인간은 생각보다 똑똑합니다!’

먼저, 고전 컴퓨터의 작동 원리를 간단히 살펴볼까요? 고전 컴퓨터는 ‘0’과 ‘1’이라는 ‘비트’로 계산합니다. 덧셈을 예로 들면, 5+6을 이진수로 바꾸고, ‘XOR’ 게이트 (다를 때 1)와 ‘AND’ 게이트 (둘 다 1일 때 1) 같은 ‘논리 게이트’를 이용해 계산합니다. 이런 게이트들은 ‘트랜지스터’라는 스위치로 만들어져요. 전류가 흐르면 1, 안 흐르면 0으로요. 이 게이트들을 잘 이어 붙이면 어떤 계산이든 할 수 있습니다. 특히, ‘NAND’ 게이트 하나만 있으면 모든 논리 게이트를 만들 수 있어서 ‘유니버설 게이트’라고 부르죠.

이제 양자 컴퓨터로 넘어갑시다. 양자 컴퓨터도 기본적으로 컴퓨터이니 이진법 계산을 해야 하지만, 여기서는 ‘양자 역학적 중첩 상태’를 이용합니다. ‘0’이면서 ‘1’인 상태를 활용하는 거죠!

그럼 양자 컴퓨터의 하드웨어는 뭘까요? 바로 양자적 현상이 나타나는 존재들입니다. 원자, 빛, 전자의 ‘스핀’, 그리고 ‘초전도체’ 같은 것들이죠. 잠깐, 초전도체는 저항이 0인 물질인데, 왜 양자 역학적 현상일까요? 전자는 파동이므로, 마치 기찻길의 나무토막에 보폭을 맞춰 걸으면 걸리지 않는 것처럼, 원자의 방해 없이 유령처럼 통과할 수 있기 때문입니다. 게다가 수많은 전자들이 ‘결맞음’ 상태를 유지하기 때문에 저항이 사라집니다.

양자 컴퓨터도 논리 게이트가 필요합니다. 여기서 핵심은 ‘낫(NOT) 게이트’와 ‘시낫(C-NOT) 게이트’입니다.

NOT 게이트: ‘0’을 ‘1’로, ‘1’을 ‘0’으로 바꾸는 게이트입니다. 중요한 건 ‘관측하지 않고’ 바꿔야 한다는 점! 마치 팽이가 회전하는 힘과 중력의 토크에 의해 옆으로 도는 현상(세차 운동)을 이용해, 자기장을 특정 시간 동안 가했다 떼면 스핀 방향이 뒤집히는 원리입니다.
C-NOT 게이트: ‘컨트롤드 낫 게이트’로, 입력 두 개 중 ‘컨트롤 비트’가 ‘1’일 때만 ‘타겟 비트’를 뒤집는 게이트입니다. 이 시낫 게이트가 양자 컴퓨터의 ‘유니버설 게이트’입니다. 이걸 잘 조합하면 모든 양자 계산이 가능해요.

이러한 게이트를 통해 ‘얽힘(Entanglement)’ 상태를 만들 수 있습니다. 마치 회사에서 ‘최상무님’이 기분 좋으면 ‘김상무님’은 짜증 나는 것처럼, 두 양자 입자가 아무리 멀리 떨어져 있어도 한쪽의 상태를 측정하면 다른 쪽의 상태가 즉시 결정되는 현상입니다. 양자 컴퓨터는 이처럼 ‘관측하지 않은 채’ 계산을 모두 수행한 뒤, 마지막에 관측하여 원하는 답을 얻어냅니다.

섹션 4: 양자 컴퓨터가 풀 수 있는 문제들: 암호 해독부터 신약 개발까지!

양자 컴퓨터가 만능 슈퍼 컴퓨터라고 생각하시면 오해입니다! 덧셈 뺄셈 같은 사칙연산은 지금 여러분이 쓰는 고전 컴퓨터가 훨씬 잘합니다. 그럼 양자 컴퓨터는 뭘 하냐고요? 바로 ‘기존 컴퓨터가 풀지 못하는 특별한 문제들’을 풉니다!

가장 대표적인 것이 바로 ‘암호 해독’입니다. 지금 여러분이 은행 거래를 할 때 쓰는 암호 체계는 ‘소인수분해’의 어려움을 이용합니다. 아주 큰 두 개의 소수를 곱하는 것은 쉽지만, 그 큰 숫자를 다시 두 소수로 쪼개는 (소인수분해) 것은 지금의 슈퍼 컴퓨터로도 100만 년 이상 걸립니다.

그런데 양자 컴퓨터는 이걸 매우 잘합니다! ‘쇼어 알고리즘’이라는 것이 있는데요. 이 알고리즘은 숫자를 소인수분해하기 위해 반복되는 ‘주기’를 찾는 것이 핵심입니다. 이 주기를 찾는 과정은 고전 컴퓨터에게 100만 년이 걸리지만, 양자 컴퓨터는 기가 막히게 잘합니다.

이해하기 어렵다고요? 비유로 설명해 드릴게요! 여러분이 햇빛 없는 방에서 생활하며 자기 생체 리듬(주기)을 찾고 싶다고 가정해 봅시다. 방 안에 다양한 주기를 가진 시계들이 놓여있어요. 여러분은 매일 아침 눈을 뜰 때마다 특정 시계 바늘이 가리키는 방향으로 압정을 옮겨 놓습니다. 나와 주기가 똑같은 시계는 계속 같은 방향으로 압정이 멀리 나아갈 것이고, 주기가 다른 시계는 압정 위치가 제멋대로 흩어지겠죠. 마지막에 가장 멀리 떨어진 압정을 보면, 그게 바로 ‘나의 주기’와 같은 시계라는 것을 알 수 있습니다.

양자 컴퓨터는 이처럼 ‘모든 가능한 주기를 중첩’시킨 뒤, 내가 원하는 ‘정답 주기’가 가장 높은 확률로 관측되도록 계산을 수행하여 마치 출구에서 기다리다가 “너 어디로 왔어?” 하고 물어보는 것처럼 답을 찾아냅니다. 모든 경우의 수를 동시에 탐색하는 효과를 내는 거죠.

이 외에도 양자 컴퓨터는 ‘최적화 문제’ (예: 여러 출장지를 가장 효율적으로 방문하는 경로), 그리고 ‘신약 개발’ (예: 수많은 분자 조합 중 가장 효과적인 약물을 시뮬레이션) 같은 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.

오늘의 정리

오늘 카이스트 김갑진 교수님의 명강의를 함께 분석해봤는데요,

핵심은 이렇습니다:

양자역학의 미시 세계는 입자인 동시에 파동이고, 관측하기 전에는 여러 상태가 중첩되어 존재합니다.
양자 컴퓨터는 이 중첩, 얽힘과 같은 양자 현상을 활용하여 0과 1을 동시에 처리하며 계산합니다.
기존 컴퓨터가 풀기 어려운 암호 해독, 최적화, 신약 개발 같은 특별한 문제들을 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

특히 김갑진 교수님이 강조하셨듯이, 양자역학은 “이해할 수 없다”는 것을 이해해야 합니다. 하지만 그 이해되지 않는 원리가 세상을 바꿀 엄청난 기술로 발전하고 있다는 사실! 정말 놀랍지 않나요? 아직은 걸음마 단계지만, 언젠가 우리 일상에 혁명적인 변화를 가져올 겁니다.

여러분도 오늘 배운 ‘양자역학의 신비’를 주변 친구나 가족에게 설명해 보면서, “어 이거 이해가 안 되는데?”라는 반응을 즐겨보시길 추천드립니다! 정상적인 반응이니까요!

저스틴) 잘 모르겠으니, 좀 더 쉽게 설명해 달라고 해 볼게요.

아이구, 우리 학생! 양자역학이라는 게 원래 그렇습니다! 아까 파인만 선생님도 그랬잖아요, “양자역학을 이해한 사람은 아무도 없다”고요! 그러니까 지금 이해가 안 되는 게 아주 정상입니다! 절대 여러분 머리가 나쁜 게 아니에요.

자, 진정하고 저스틴 선생님이 더 쉽게, 더 재미있게 딱 세 가지만 다시 설명해 드릴게요. 이 세 가지가 양자역학의 전부이자 양자 컴퓨터의 핵심이니까, 이것만 붙잡고 가시면 됩니다!

🤯 양자역학, 이 세 가지만 알면 일단 성공!

여러분, 우리가 사는 세상은 상식적이죠? 사과를 놓으면 떨어지고, 공을 던지면 날아갑니다. 그런데 아주아주 작은 세계, 그러니까 우리 눈에 보이지도 않는 원자보다 더 작은 세상으로 가면 우리 상식이 전혀 통하지 않습니다. 마치 ‘이상한 나라의 앨리스’처럼 모든 게 뒤죽박죽이 돼요.

이 이상한 나라에서 벌어지는 딱 세 가지 현상만 이해해 봅시다!

1. 작은 녀석들은 ‘두 얼굴’을 가졌다! (입자-파동 이중성)

우리 세상: 우리는 사과 같은 건 ‘입자(알갱이)’라고 하고, 물결이나 소리 같은 건 ‘파동(물결)’이라고 구분하죠? 딱딱하고, 튀어나가고, 위치를 알 수 있는 건 입자. 퍼져나가고, 합쳐지고, 진동하는 건 파동.
작은 세상: 그런데 전자 같은 아주 작은 녀석들은 ‘입자이면서 동시에 파동’이에요! 마치 유명 연예인처럼, 무대 위에선 화려한 파동(빛나고 영향력을 퍼뜨리는)인데, 집에 가면 평범한 입자(한 명이 조용히 존재하는) 같은 거죠. 그런데 이 작은 녀석들은 그 두 가지 얼굴을 동시에 가지고 있어요. 어떤 때는 입자처럼 행동하고, 어떤 때는 파동처럼 행동하고… 우리가 어떻게 ‘쳐다보냐’에 따라 달라집니다. (벌써 이상하죠? 이게 핵심이에요!)

2. 작은 녀석들은 ‘동시에 여러 상태’가 될 수 있다! (중첩)

우리 세상: 우리 여자친구는 지금 침대에 있거나, 아니면 편의점에 있거나, 둘 중 하나죠? 동시에 두 군데 있을 수는 없습니다.
작은 세상: 그런데 전자 같은 작은 녀석들은 놀랍게도 ‘동시에 침대에도 있고, 동시에 편의점에도 있다’는 겁니다! 이게 바로 중첩이에요. 0이면서 동시에 1인 상태. 위로 돌면서 동시에 아래로 도는 상태. 마치 꺼져있으면서 동시에 켜져있는 전등 스위치라고 생각하시면 됩니다. (으악! 벌써 말이 안 되죠? 정상이에요!)

3. ‘쳐다보면’ 하나의 상태로 결정된다! (관측과 붕괴)

작은 세상: 방금 전자나 전등 스위치가 ‘동시에 여러 상태’에 있다고 했죠? (침대 + 편의점, 꺼짐 + 켜짐)
가장 중요한 규칙: 그런데 우리가 이 녀석들을 ‘관측하는 순간’ (그러니까 쳐다보거나, 빛을 쏘거나, 어떤 식으로든 간섭하는 순간!), 그 여러 상태들이 와르르 무너지고 딱 하나의 상태로 결정되어 버립니다.
- 예를 들어, “전자야, 너 지금 어디 있니?” 하고 쳐다보는 순간, 전자는 침대나 편의점 둘 중 한 곳에만 나타나는 거죠. 결코 동시에 두 군데 있는 걸 볼 수는 없어요.
- “스위치야, 너 켜져 있니 꺼져 있니?” 하고 쳐다보는 순간, 스위치는 ‘켜짐’ 또는 ‘꺼짐’ 둘 중 하나로만 보입니다.
결국: 관측하기 전에는 여러 상태가 중첩되어 있다가, 관측하는 순간 하나의 상태로 ‘붕괴‘된다는 겁니다. 우리가 보지 않으면 동시에 존재할 수 있지만, 보는 순간 모든 가능성이 사라지고 현실 하나만 남는다는 얘기죠. (이해가 안 되는 게 당연! 김갑진 교수님도 여기가 제일 어렵다고 하셨어요!)

🚀 그럼 이걸로 어떻게 ‘양자 컴퓨터’를 만든다고?

자, 이제 이 세 가지 ‘이상한 현상’을 컴퓨터에 적용해 봅시다.

1. 비트(Bit) 대신 큐비트(Qubit)!

고전 컴퓨터: 0 아니면 1, 둘 중 하나의 상태만 가질 수 있는 ‘비트’를 사용합니다.
양자 컴퓨터: 0이면서 동시에 1인 ‘중첩 상태’를 가질 수 있는 ‘큐비트(Qubit)’를 사용합니다.
- 이게 무슨 말이냐? 고전 컴퓨터가 덧셈을 할 때 5+6을 계산하려면 5를 이진수로 바꾸고, 6을 이진수로 바꿔서 하나하나 더하죠?
- 양자 컴퓨터는 큐비트 하나가 0도 되고 1도 되니까, 100가지 경우의 수를 계산할 때 고전 컴퓨터가 100번 계산해야 한다면, 양자 컴퓨터는 큐비트 몇 개로 동시에 100가지 경우의 수를 한꺼번에 생각해볼 수 있다는 겁니다!

2. 뭘 계산하냐고요? ‘복잡한 최적의 답’을 한 번에!

고전 컴퓨터가 잘하는 것: 더하기, 빼기, 문서 작성, 인터넷 검색 등은 고전 컴퓨터가 훨씬 빠르고 잘합니다. 양자 컴퓨터로 이런 거 시키면 느리고 바보 같아요.
양자 컴퓨터가 잘하는 것: 하지만 ‘매우 많은 경우의 수 중에서 가장 좋은 답 하나를 찾아내는 문제’는 양자 컴퓨터가 압도적으로 빠릅니다.
- 미로 찾기: 고전 컴퓨터는 미로를 들어갔다가 막히면 되돌아와서 다른 길을 시도하는 식으로 하나하나 길을 찾아야 합니다.
- 양자 컴퓨터: 큐비트의 중첩 상태를 이용해서 모든 길을 동시에 탐색할 수 있습니다. 그래서 출구에서 기다리고 있다가 “가장 먼저 나온 길” (가장 빠른 길)을 알려달라고 하는 거죠!
- 예시: 수많은 경로 중 가장 빠른 길 찾기 (내비게이션), 복잡한 암호 해독 (현재 컴퓨터로는 100만 년 걸리는 문제), 신약 개발 (수많은 분자 조합 중 최적의 약물 찾기) 같은 문제들입니다.

3. 아직은 ‘걸음마 단계’지만 미래는 엄청나다!

양자 컴퓨터는 아직 초기 단계예요. 아주 작은 물질들을 ‘관측하지 않고’ 원하는 대로 조작해야 하는데, 이게 정말 어렵습니다. 온도를 극도로 낮추거나, 자석으로 정교하게 스핀을 제어해야 하거든요.
하지만 만약 제대로 개발된다면, 지금의 컴퓨터로는 상상도 못 할 속도로 특정 문제들을 해결하여 세상을 바꿀 엄청난 파급력을 가질 겁니다.

자, 어때요? 여전히 ‘이상하다’는 느낌이 들겠지만, 그게 바로 양자역학의 본질입니다. “이해할 수 없다는 것을 이해하는 것”. 이걸 받아들이고 나면, 이 이상한 현상들이 어떻게 놀라운 기술로 이어지는지 조금은 감이 오실 거예요!