정보혁명의 두 번째 물결, 양자가 답하다!

 

「노벨상 수상자들의 오리지널 논문으로 배우는 과학」 시리즈의 19번째 책 『양자정보』는 샤논의 정보이론에서 출발해 아인슈타인–포돌스키–로젠(EPR)의 문제 제기, 벨의 부등식, 아스페의 얽힘 실험, 차일링거 팀의 양자순간이동까지—‘정보’의 개념이 비트에서 큐비트로 어떻게 확장되었는지를 한 줄의 서사로 엮는다.

0과 1의 이진법, 블로흐 구로 그리는 중첩과 얽힘, 양자게이트와 알고리즘, 양자암호(QKD)와 위성통신까지, 오늘의 양자정보과학을 구성하는 핵심을 대화식 설명과 원전 읽기로 안내한다.

특히 2022년 노벨 물리학상을 수상한 존 클라우저·알랭 아스페·안톤 차일링거의 결정적 논문(얽힘 검증과 순간이동)을 원문으로 수록, 독자가 ‘양자적 사실’이 이론을 넘어 실험으로 확증되는 과정을 직접 따라가도록 했다.

[목 차]

추천사

천재 과학자들의 오리지널 논문을 이해하게 되길 바라며

양자 세계의 문이 열리다 _ 도이치 박사가 말하는 차일링거의 양자정보 혁명(깜짝 인터뷰)

 

첫 번째 만남 _ 고전 정보이론과 컴퓨터의 탄생

정보는 어떻게 시작되었는가 _ 문자에서 암호까지, 인류의 정보혁명

암호를 푼 철학자, 알 킨디 _ 빈도 분석의 시작과 정보과학의 태동

0과 1로 보는 세상 _ 주역이 라이프니츠에게 가르쳐준 디지털의 뿌리

기계로 계산하다 _ 쉬카르드에서 라이프니츠까지, 계산기의 탄생과 진화

컴퓨터의 아버지, 찰스 배비지 _ 차분기관과 분석 엔진의 탄생

0과 1의 논리, 불대수의 세계 _ 조지 불과 디지털 논리의 기초

논리를 기호로 바꾼 사람, 드모르간 _ 드모르간의 법칙과 현대 논리학

엘런 튜링, 0과 1로 세상을 바꾸다 _ 컴퓨터를 꿈꾼 수학자와 디지털 혁명

튜링의 상상, 컴퓨터가 되다 _ 간단한 장치가 만든 복잡한 계산의 세계

컴퓨터는 어떻게 진화했는가 _ 전쟁, 과학, 그리고 인간의 상상력

 

두 번째 만남 _ 디지털 혁명의 뿌리를 찾아서

0과 1의 문을 연 찰스 피어스 _ 디지털 시대를 연 기호 논리의 창시자

기계로 생각하고, 놀이로 미래를 설계하다 _ 섀넌이 만든 디지털 우주

엔트로피, 정보의 얼굴을 바꾸다 _ 섀넌이 밝혀낸 불확실성의 의미

 

세 번째 만남 _ 큐비트로 여는 양자알고리즘의 세계

양자정보, 중첩에서 시작되다 _ 파동함수와 고유상태의 언어

상자 속 고양이의 운명 _ 슈뢰딩거 실험으로 본 양자의 세계

큐비트, 보이지 않는 정보의 가능성 _ 0과 1의 중첩과 붕괴

큐비트를 조작하는 기술, 양자게이트 _ 유니터리 행렬과 선형 변환

아다마르 게이트의 수학 _ 프랑스 수학자가 만든 양자연산의 기초

텐서곱이란 무엇인가 _ 두 큐비트를 하나의 상태로 묘사하다

복제할 수 없는 정보 _ 큐비트와 양자 복제금지 정리

 

네 번째 만남 _ 양자역학, 논쟁에서 실험으로

아인슈타인과 보어의 양자 논쟁 _ 양자역학은 완전한가

EPR 패러독스, 양자역학을 흔든 질문 _ 얽힘인가, 유령의 작용인가

벨 부등식의 도전 _ 얽힘인가, 숨은 변수인가

실험으로 드러난 양자 얽힘 _ 존 클라우저가 이끈 양자정보의 시대

빛보다 빠른 정보는 가능한가 _ 아스페 실험과 벨 부등식의 극복

 

다섯 번째 만남 _ 양자정보 시대의 개막

양자의 언어로 진리를 묻다 _ 양자세계를 설계한 안톤 차일링거

순간이동은 가능하다 _ 양자순간이동, 얽힘 스와핑과 미래의 통신

양자 얽힘의 스위치, CNOT 게이트 _ 제어 비트, 타깃 비트와 양자 논리

얽힘은 어떻게 생기는가 _ 아다마르 게이트와 양자 얽힘의 원리

보낼 수 없는 것을 보내는 법 _ CNOT와 얽힘이 만들어낸 양자순간이동

암호의 진화 _ 고대 암호부터 양자암호까지, 정보보안 2,500년의 여정

뚫리는 암호, 감지하는 센서 _ 양자보안과 초정밀 감지 시스템

 

여섯 번째 만남 _ 양자알고리즘과 양자컴퓨터

양자알고리즘의 탄생 _ 현실의 구조를 바꾼 도이치–요자 이론과 실험

양자의 두 날개 _ 쇼어 알고리즘, 그로버 알고리즘의 작동 원리와 영향력

도이치 알고리즘 _ 오라클 머신과 불함수로 여는 새로운 계산의 세계

양자컴퓨터, 계산의 한계를 넘다 _ 시커모어에서 IBM 이글까지

 

만남에 덧붙여

Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?_1935년 아인슈타인-포돌스키-로젠 논문 영문본

On the Einstein Podolsky Rosen Paradox_1964년 벨 논문 영문본

Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities _1982년 아스펙 그룹 논문 영문본

Experimental Quantum Teleportation_1997년 차일링거 그룹 논문 영문본

위대한 논문과의 만남을 마무리하며

이 책을 위해 참고한 책과 논문들

수식에 사용하는 그리스 문자

노벨 물리학상 수상자들을 소개합니다

[본 문]

저자는 본격적으로 양자 알고리즘과 양자컴퓨터에 관한 이야기를 소개합니다. 양자순간이동이 양자 얽힘과 어떻게 연관되는지, 그리고 실제 통신이나 위성에서 활용할 수 있음을 밝혀낸 실험을 설명하고 있습니다. _ 본문 13쪽

 

이전 실험들, 예를 들어 클라우저나 프리드먼의 실험은 ‘국소성’과 ‘실재론’을 모두 배제할 수 없었어요. 측정 각도를 미리 정해놓거나 장비 간의 거리가 충분치 않아서 논리적으로 완벽하진 않았죠. 하지만 차일링거는 1997년 실험에서 얽힌 광자 쌍이 날아오는 도중에 측정 장비의 설정을 무작위로 바꿔버렸어요! 그것도 나노초 단위로요. _ 본문 20쪽

 

양자암호, 양자통신, 양자컴퓨터가 단지 ‘이론적 가능성’이 아니라, 이제는 현실적 기술 개발의 대상으로 확장되기 시작했어요. 차일링거의 논문은, 비유하자면 뉴턴의 사과가 떨어진 순간과 같았다고 저는 생각합니다. 그 이후로는 ‘양자 얽힘은 존재할 수도 있다’가 아니라, ‘얽힘은 존재하고, 우리가 그것을 쓸 수 있다’가 되었거든요. _ 본문 22쪽

 

섀넌은 그 개념을 ‘정보의 불확실성’이라는 맥락에서 새롭게 정의했지. 열역학에서의 엔트로피는 “얼마나 무질서한 상태인가”를 나타내는 척도잖아? 정보이론에서는 얼마나 예측 불가능한 메시지가 전달되는가를 나타내는 척도로 사용했어. _ 본문 97쪽

 

아인슈타인은 유령이 있어 유령이 둘 사이에 원거리 작용을 하지 않는 한 이런 일은 일어날 수 없다며 양자역학의 불완전성을 지적했어. 아인슈타인이 주장한 유령을 과학자들은 숨은 변수라고 불러. _ 본문 147쪽

 

고전 컴퓨터는 0 아니면 1을 사용하는 비트(bit)로 계산하지만, 양자컴퓨터는 큐비트로 계산하지. 큐비트는 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 중첩상태야. 그러니까 여러 경우를 동시에 따져보는 문제에선 양자알고리즘이 훨씬 빠를 수 있어. _ 본문 197쪽

남순건(경희대학교 이과대학 물리학과 교수 및 전 부총장)

저자는 이번에 아주 새로운 시도를 하고 있고 이는 어쩌면 우리에게 꼭 필요했던 것일 수 있습니다. 대화체로 과학의 역사와 배경을 매우 재미있게 설명하고, 그 배경 뒤에 나왔던 과학의 영웅들의 오리지널 논문들을 풀어간 것입니다. 과학사를 들려주는 책들은 많이 있으나 이처럼 일반인과 과학도의 입장에서 질문하고 이해하는 생각의 흐름을 따라 설명한 책은 없습니다. 게다가 이런 준비를 마친 후에 아인슈타인 등 영웅들의 논문을 원래의 방식과 표기를 통해 설명하는 부분은 오랫동안 과학을 연구해온 과학자에게도 도움을 줍니다. 이 책을 읽는 독자들은 복 받은 분들일 것이 분명합니다. 제가 과학을 처음 공부할 때 이런 책이 있었다면 얼마나 좋았을까 하는 생각이 듭니다. 정완상 교수는 이제 새로운 형태의 시리즈를 시작하고 있습니다. 독보적인 필력과 독자에게 다가가는 그의 친밀성이 이 시리즈를 통해 재미있고 유익한 과학으로 전해지길 바랍니다. 그리하여 과학을 멀리하는 21세기의 한국인들에게 과학에 대한 붐이 일기를 기대합니다. 22세기를 준비해야 하는 우리에게는 이런 붐이 꼭 있어야 하기 때문입니다.

 

김완선(인천대학교 물리학과 초빙교수)

저자는 본격적으로 양자 알고리즘과 양자컴퓨터에 관한 이야기를 소개합니다. 양자순간이동이 양자 얽힘과 어떻게 연관되는지, 그리고 실제 통신이나 위성에서 활용할 수 있음을 밝혀낸 실험을 설명하고 있습니다. 이 책에서는 여러 물리학자의 학문적 업적뿐만 아니라, 어린 시절 성장 배경과 연구 과정도 소개하고 있는데, 양자순간이동을 연구한 차일링거 박사도 그중 하나입니다. 그래서 저도 그들과의 만남이 매우 즐거운 시간이었습니다. 이 책을 접하는 독자분들도 이에 공감하실 것입니다.