양자 문명

문명을 관통하는 양자 오디세이

유리와 자석에서 반도체, 레이저, 큐비트까지

서로 다른 시대의 발견과 기술들을

하나의 흐름으로 엮어낸 새로운 시선



박태웅 의장, 채은미 교수, 권석준 교수, 한지아 의원 추천!



이론물리학자가 쓴 문명의 역사, 성균관대학교 한정훈 교수의 《양자 문명》이 출간됐다. 2020년에 낸 첫 대중서 《물질의 물리학》으로 '세계적 수준의 교양서'라는 찬사와 함께 한국출판문화상 교양 부문 저술상, 한국과학창의재단 올해의 과학도서, 아태이론물리센터 올해의 과학도서, 한국과학기술도서상 최우수상 등을 받았던 저자가, 이번엔 문명사로 시야를 넓혔다. 첫 책이 '물질이란 무엇인가'라는 질문을 따라 현대물리학의 가장 큰 분야인 응집물질물리학을 소개하는 데 집중했다면, 이번 책은 시야를 넓혀 지난 한 세기 동안 양자역학이 인류 문명 그 자체를 어떻게 다시 설계해왔는지를 살펴본다.

2,000년 전 폼페이, 100년 전 맨해튼, 그리고 오늘날 대도시까지. 시간이 아무리 흘러도 반듯한 도로와 상하수도, 집과 상점이 촘촘히 들어선 도시라는 상자의 겉모습은 대동소이하다. 하지만 자동차, 전등, 전화, 라디오, 그리고 지금 우리 손 안의 스마트폰까지, 그 속을 채운 도구는 완전히 달라졌다. 최근 한 세기 동안 그 도구들을 근본적으로 바꿔놓은 힘의 정체는 '양자역학'의 발견과 응용이다. 저자는 산업혁명 이후 인류 문명을 움직여온 동력이 증기에서 전기로, 전기에서 양자로 옮겨왔다고 진단하고, '양자 문명'을 다시 세 개의 물결로 세분화하는 독창적인 틀, 이른바 '양자 문명 3단계론'을 제시한다. 원자핵 에너지를 길들인 첫 번째 양자 문명, 반도체와 레이저가 정보혁명을 이끈 두 번째 양자 문명, 중첩과 얽힘을 활용하는 양자컴퓨터와 양자 통신이 이끌어낼 세 번째 양자 문명까지, 이 책은 양자의 관점에서 문명의 역사를 안내한다. 갈릴레오와 프랭클린, 벨 연구소의 과학자들, 오늘날 양자컴퓨터를 개발하는 연구자들의 드라마틱한 이야기를 따라가다보면, 현대 문명을 움직이는 에너지와 연산의 엔진이 어떻게 작동하는지 자연스럽게 이해할 수 있다. 복잡한 수식 없이도 이해되도록 정교하면서도 직관적인 사고실험과 역사적 사례를 통해, 인공지능과 양자컴퓨터가 바꾸어갈 미래 문명의 청사진을 제시한다.





"양자는 이제 과학의 언어를 넘어, 우리 문명의 언어가 되었다."

양자역학은 어떻게 문명이 되었는가

양자 하나로 꿰뚫는 현대 문명의 역사와 미래



이 책은 총 다섯 개의 장으로 구성되어 있다. 전기 문명에서 양자 문명으로 이어지는 현대 문명의 흐름이 1, 2장에서 펼쳐지고, 3장에서는 양자역학의 핵심 개념인 중첩과 얽힘을 다룬다. 그리고 4, 5장에서는 세 번째 양자 문명의 주인공인 양자 연산과 양자컴퓨터를 소개한다.

1장은 유리라는 재료가 서양 과학의 '눈'이 되어 망원경과 현미경, 그리고 원자의 '화학적 지문'을 읽어내는 분광기로 발전해간 과정을 갈릴레오와 뉴턴의 이야기로 따라간다. 프라운호퍼와 키르히호프의 분광 관측은 흑체복사 문제로 이어지고, 1900년 막스 플랑크가 이를 풀며 '양자' 개념을 처음 도입하는 순간에 다다른다. 이야기는 다시 패러데이의 유도 전류 발견에서 시작된 전기 문명으로 넘어가 지멘스, 에디슨, 웨스팅하우스, 테슬라를 거쳐 유선 전신과 전화, 무선통신으로 확장되고, 1925년 벨 연구소 설립(공교롭게도 양자역학의 수학적 체계가 완성된 바로 그해이다)을 정점으로 전화라는 전기 문명의 요구와 양자역학이 만나 트랜지스터라는 대발명으로 이어지는 순간을 포착한다.

2장에서는 '양자 문명 3단계론'의 전모가 펼쳐진다. 하디가 "쓸모없다"고 평했던 양자역학이 훗날 가장 강력한 에너지원이 되는 역설에서 출발해, 엔리코 페르미가 원자로에서 핵분열을 제어하며 연 '첫 번째 양자 문명', 트랜지스터와 레이저가 정보 사회를 앞당긴 '두 번째 양자 문명', 그리고 지금 우리가 들어서고 있는 '세 번째 양자 문명'의 윤곽을 차례로 그린다. 토머스 쿤의 패러다임 전환 개념을 빌려, 양자역학이 급진적 단절이 아니라 점진적 도전과 응답의 산물이었음을 밝힌다.

3장은 양자역학에서 가장 난해하면서도 가장 매혹적인 개념인 중첩과 얽힘을 다룬다. 수식 대신 정교하게 설계된 사고실험을 통해 양자 중첩을 이해해본다. 고양이 톰과 생쥐 제리, 사과와 귤이 담긴 두 개의 봉지를 등장시켜 양자 얽힘의 원리를 설명하는 대목은 이 책에서 가장 독창적인 장면 중 하나다. 아인슈타인이 세상을 떠날 때까지 붙들고 놓지 않았던 날카로운 질문, 이른바 'EPR 역설'이 반세기가 지나 오늘날 양자 기술의 가장 강력한 무기로 재탄생하는 과정을 다루는 대목은 이 책에서 가장 극적인 장면이다.

4장에서는 양자컴퓨터의 이론적 구상이 구체화, 정교화되는 과정을 따라간다. 뉴턴에서 라그랑주, 디랙, 파인먼으로 이어지는 300년에 걸친 수학적 계보가 어떻게 양자컴퓨터라는 아이디어로 수렴했는지를 추적한다. 디랙의 논문에 담긴 아홉 번째 수식 하나에 매달려 '경로적분'이라는 독창적 방법론을 완성해낸 젊은 파인먼의 일화는 훗날 양자컴퓨터라는 개념의 기원이 된다. 이어 양자컴퓨터의 발전 속도를 가늠하는 잣대와 암호 해독 같은 실질적 활용 사례를 소개하는 한편, 지금 작동하는 큐비트 수는 실용화에 필요한 수준에 한참 못 미친다는 냉정한 현실과 중첩 상태 유지의 어려움을 '접시 돌리기'에 빗댄 대목을 통해 장밋빛 전망에 안주하지 않는 균형 잡힌 시각을 보여준다. 마지막으로 계산기의 역사를 통해 양자컴퓨터가 어떤 계보의 끝에 서 있는지를 드러낸다.

5장에서는 이론으로만 존재하던 양자컴퓨터가 실제 하드웨어로 만들어지는 과정을 공학의 시선으로 따라간다. 얽힘이라는 상상 속 개념이 실험실에서 현실이 되기까지의 과정, 초전도 조지프슨 소자라는 '인조 원자'를 두고 경쟁해온 IBM과 구글의 개발사, 이온과 중성원자를 레이저로 붙잡아 큐비트로 빚어내는 기술까지, 오늘날 경쟁하는 여러 양자컴퓨터 구현 방식의 실체를 소개한다. 이어 양자 연산 과정에서 발생하는 오류를 발견하고 정정하는 기술, 양자 이득과 양자 우월성, 양자 암호 같은 핵심 개념을 정리하고, 마지막으로 인공지능이 양자컴퓨터의 오류 제어에 결정적으로 관여하기 시작한 최근의 풍경을 그리며 책을 마무리한다.



확실성에서 확률성으로,

양자 문명의 새로운 시작점에서

불확실한 미래를 기대하게 만드는 책



저자는 문명을 움직이는 두 축을 '역학 엔진'과 '연산 엔진'이라는 개념으로 정리한다. 증기기관과 발전기처럼 에너지를 역학적 힘으로 바꾸는 장치를 '역학 엔진'으로, 주판에서 전자계산기, 인공지능에 이르는 계산 도구를 '연산 엔진'으로 부르며, 두 엔진의 계보를 나란히 놓고 추적한다. 그리고 그다음에 올 엔진의 이름을 조심스럽게 예고한다. 확실성 대신 확률성을 계산의 원리로 받아들이는 '양자 연산 엔진', 곧 양자컴퓨터다. 흥미로운 사실은 인공지능 이전까지의 연산 엔진 발전 과정에서 인류는 한 번도 계산의 확실성을 포기한 적이 없지만, 이제는 차츰 확실성 대신 확률성에 근거한 연산의 시대가 열리고 있다는 점이다. 그 대가로 얻는 것은 여러 경우의 수를 동시에 계산하는 '양자 병렬성', 그리고 이를 통한 특정 문제의 기하급수적인 속도 향상이다.

탁월한 스토리텔링과 창의적인 비유도 빛을 발한다. 마술사의 양자 구슬과 상자 속에 넣어둔 전자의 거동을 통해 양자 중첩을, 고양이와 생쥐가 사과와 귤이 든 봉지를 두고 벌이는 소동으로 양자 얽힘의 신비를 설명하며, 시계의 계보를 통해 양자의 2준위계라는 속성이 어떻게 우리 삶의 '시간'을 규정하게 되었는지 살펴본다. 직관적이면서도 정교한 이런 사고실험과 비유야말로, 수학의 장벽 앞에서 독자를 감상자로 남겨두는 여느 양자역학 교양서와 이 책이 다른 지점이다. 또한 이 책은 중첩과 얽힘, 측정과 붕괴 같은 양자역학의 개념들을 쉽게 설명하는 데서 멈추지 않고, 그것이 구체적으로 어떤 기술과 제도, 산업과 생활양식을 낳았는지까지 밀어붙인다. 트랜지스터의 발명과 레이저의 원리, 양자컴퓨터의 오류 정정 기술 같은 개별적인 기술사적 사실도 타이태닉호의 침몰과 무선통신의 등장, 앨빈 토플러가 예견한 '제3의 물결', 데이터센터를 가동하는 데 필요한 전력 수요와 인공지능 시대의 도래 같은 큰 장면 속에 배치해 기술사를 문명사로 확장한다.

양자역학의 가장 섬세하고 궁극적 측면인 중첩과 얽힘과 확률적 현실을 우리가 배우고 친해져야 할 이유는, 양자가 이미 과학을 넘어 문명의 한 단계가 되었기 때문이다. 증기 문명과 전기 문명이 이미 성숙한 토대 위에 서 있다면, 양자 문명은 지금도 파도처럼 밀려오는 중이다. 그 파도를 잘 타려면 새로운 문법을 익혀야 하는데, 그 문법은 양자역학이라는 언어로 쓰여 있다. 그 언어를 설명하는 책은 많아도, 그 언어가 써내려가고 있는 문명의 역사까지 읽어주는 책은 드물다. 큐비트로 쓰이는 원자와 광자, 큐비트를 조작하는 레이저, 연산의 오류를 잡아내는 인공지능까지, 양자컴퓨터는 한 세기 넘게 쌓여온 기술의 지층 위에서 태어났다. 이 책을 읽고 나면, 손 안의 스마트폰 한 대에도 한 세기에 걸친 물리학의 역사가 새겨져 있다는 사실을 비로소 실감하게 된다.



"노벨 문학상 수상 작가 한강은 '과거가 현재를 도울 수 있는가?', '죽은 자가 산 자를 살릴 수 있는가?'라는 화두를 품고 그 답을 자신의 작품으로 풀어냈다. 이 책을 읽는 독자가 비슷한 질문과 답을 과학과 기술 문명의 역사에서도 읽어낼 수 있기를 바란다."(28쪽)

추천사
들어가는 글
1장. 전기 문명
유리와 서양 과학
프리즘에서 양자역학까지
자석에서 전기 문명으로
전기 문명의 영웅들
유선 전신에서 전화의 발명까지
무선통신의 시대
전기 문명과 양자 문명의 만남: 벨 연구소
2장. 세 번째 양자 문명
하디와 첫 번째 양자 문명
두 번째 양자 문명: 반도체 소자
2준위 양자계
두 번째 양자 문명: 레이저
세 번째 양자 문명
토머스 쿤의 패러다임 전환
3장. 중첩, 얽힘, 측정, 붕괴
행렬역학, 파동역학, 확률적 해석
양자 중첩 이해하기
중첩에 관한 사고실험
얽힘에 관한 사고실험
아인슈타인의 마지막 위대함
중첩과 얽힘을 기하학적으로 이해하기
4장. 양자컴퓨터
양자컴퓨터의 사상가들
양자컴퓨터의 무어의 법칙
양자 연산의 명암 이해하기
양자컴퓨터의 '킬러앱'
양자컴퓨터의 쓸모
계산기의 역사
5장. 양자공학
얽힘: 상상에서 현실로
초전도 큐비트 만들기
이온과 원자로 큐비트 만들기
양자컴퓨터 개발
양자 오류 정정
양자 이득, 양자 우월성, 양자 암호
인공지능과 양자컴퓨터의 만남
맺음말
한눈에 보는 양자 문명사(연표)
참고 문헌
찾아보기

한정훈 성균관대학교 물리학과 교수. 1997년 워싱턴대학교에서 데이비드 사울레스 교수(2016년 노벨 물리학상 수상)의 지도로 박사학위를 받았다. 이후 아시아태평양이론물리센터(1997~1999)와 버클리대학교(1999~2001) 연구원, 건국대학교(2001~2003) 교수를 거쳐 성균관대학교(2003~현재)에 재직 중이다. 주요 연구 분야는 양자 자성체, 양자 스핀계, 위상 양자 물질 이론이다. 다강체 이론, 스커미온 이론, 양자 스핀계의 수송 이론, 위상수학적 양자 이론 등에서 독보적인 연구 업적이 있다. 워싱턴대학교의 서배스천 카러 상 Sebastian Karrer Prize, 삼성미래기술육성재단 연구비, 한국물리학회 학술상 등을 받았다. 120여 편의 학술 논문과 전공 서적 《응집물질에서의 스커미온 Skyrmions in Condensed Matter》(Springer, 2017)을 출판했다. 2020년에 낸 첫 대중서 《물질의 물리학》으로 한국출판문화상 교양 부문 저술상, 한국과학창의재단 올해의 과학도서, 아태이론물리센터 올해의 과학도서, 한국과학기술도서상 최우수상을 받았다. 2023년에는 여러 물리학자와 함께 《물질의 재발견》을 출간했다.