2020.11.10. 11:518,922 읽음 비밀글
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양자컴퓨터가 미래를 계산할 수 있을까요? | 결정론, 자유의지 | 양자역학 | 코펜하겐, 드브로이 봄, 다세계 해석 | 로저 펜로즈 | 데브스 해석
우리의 미래는 결정되어 있는 것일까요? 양자컴퓨터가 개발되면서 데브스와 같은 많은 공상과학 영화가 결정론과 자유의지에 관해 다루고 있습니다. 이번 영상에서는 양자컴퓨터를 이용해 과거를 재현하고 미래를 예측하는 것이 과학적으로 가능한지 이야기 해보겠습니다. 또한 코펜하겐 해석, 드브로이 ...
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2019년 구글은 현재의 슈퍼컴퓨터로
1만 년이 걸리는 연산을 200초 만에 해결하는
양자컴퓨터를 개발했다고 발표했습니다.
2019년 구글은 양자컴퓨터 '시카모어'의 성과를 자랑했습니다.
이 발표는 다소 과장된 것일 수 있지만,
양자컴퓨터의 개발이 본격화되면서
새로운 컴퓨터의 시대가 열린 것은 분명합니다.
양자컴퓨터의 성능이 기존의 슈퍼컴퓨터를 뛰어넘는 양자우위는 이미 달성되었다고 여겨집니다.
양자컴퓨터의 계산능력에 영감을 받아,
미래의 예측 가능성과 인간의 자유의지에 관한
많은 영화와 드라마가 나오기도 합니다.
특히 드라마 데브스가
이러한 주제를 적극적으로 활용하기도 했죠.
드라마 데브스(DEVS)는 양자컴퓨터를 소재로 인간의 자유의지와 결정론을 다룹니다.
이번 영상에서는 실제로 양자컴퓨터를 이용해
과거를 비추고 미래를 예측하는 것이
물리적으로 가능한지에 관해
이야기해보겠습니다.
양자컴퓨터는 정말 우리의 미래를 예측할 수 있을까요?
또한 드브로이 봄, 에버렛 해석 등
우리에게 다소 생소한 양자역학의 용어들도
쉽게 정리해보겠습니다.
양자역학에 관한 이야기 또한 빠질 수 없습니다.
라플라스의 악마
행성의 운동을 묘사하는 데 성공한
뉴턴 시대의 사람들은 기대감으로
가득 차 있었습니다.
세상에 존재하는 모든 물질의
위치와 속도, 상호작용의 정보들을
한 치의 오차 없이 파악하기만 한다면,
그 데이터를 통해
입자들의 이전과 이후의 행동을
추측하는 것이 가능하다는 희망을 갖고 있었죠.
행성의 운동을 수학적으로 규명한 것은 엄청난 성취였습니다.
프랑스의 수학자 라플라스는
이러한 모든 데이터를 가지고 있으면서,
분석도 할 수 있는 전지전능한
가상의 인물을 생각했고, 우리는 이를
라플라스의 악마라고 부릅니다.
전능한 가상의 인물 '라플라스의 악마'
악마라는 이름이 붙은 이유는
이렇게 ‘완벽한’ 데이터를 얻는 것과
방대한 양의 데이터를 계산하는 것은
현실적으로 매우 어려운 목표이기 때문입니다.
완벽한 데이터와 연산은 사실 불가능하다고 봐야하지만, 여기서는 이러한 문제가 해결되었다고 가정해보겠습니다.
전 우주에 존재하는 입자들의
완벽한 데이터를 얻을 수 있다고 한다면,
이제는 미래를 정확히 예측하기 위해
수많은 입자들의 행동을 오차 없이
계산하는 강력한 연산장치가 필요합니다.
그리고 많은 공상과학 영화가
라플라스의 악마로 양자컴퓨터를 꺼냅니다.
SF에선 라플라스의 악마로서 양자컴퓨터가 제시되곤 합니다.
양자컴퓨터는 모든 입자들의 상호작용을
빠르고 완벽하게 계산해낼 수 있을까요?
양자컴퓨터
현재의 컴퓨터는 트랜지스터라 불리는
작은 장치에 전기를 흘려보내
0 또는 1의 신호를 만들어냅니다.
현재의 컴퓨터는 트랜지스터라는 작은 소자를 사용해 신호를 만들어냅니다.
따라서 네 개의 신호를 처리한다면
16가지의 조합을 만들어낼 수 있고,
한 번에 하나의 정보를 처리할 수 있습니다.
가능한 16가지의 조합들
하지만 양자컴퓨터는 ‘큐비트’라 불리는
단위를 통해 트랜지스터와 다른 방식으로
정보를 처리합니다.
양자컴퓨터의 새로운 단위 : 큐비트(QUBIT)
큐비트는 중첩이라는
매우 독특한 특징을 가집니다.
매우 작은 세계에 적용되는 법칙인
양자 역학은 두 상태의 중첩을 허용합니다.
이 덕분에 큐비트는 0과 1을 동시에
확률적으로 가질 수 있습니다.
양자역학은 두 상태의 중첩을 허용합니다.
이러한 표현은 디랙 괄호를 블로흐 구에 표현하는 방식으로 기술됩니다. 디랙 괄호는 뒤에서 간략히 이야기해보겠습니다.
따라서 4개의 큐비트가 있다면
16가지 상태를 동시에 확률적으로
표현하는 것이 가능합니다.
이는 특정 문제의 해결에서 기존의 컴퓨터보다
더 빠를 수 있다는 것을 의미합니다.
기존의 컴퓨터는 데이터를 하나씩 거쳐 가며
대조를 해야 했던 반면,
양자 컴퓨터는 단 몇 번의 과정만을 거쳐
원하는 정보를 찾아낼 수 있기 때문입니다.
큐비트는 0과 1의 중첩을 허용하므로, 기존의 컴퓨터보다 특정한 연산에서 월등한 우위를 보여줍니다.
양자컴퓨터는 큐비트를 효과적으로 제어하고
오류율을 낮추는 등 해결해야 할 과제가
정말 많습니다.
하지만 이것은 단지 기술적인 문제일 뿐,
과학적으로 불가능한 것은 아닙니다.
따라서 대규모의 연산을 빠르게 해내는
양자컴퓨터의 출현이 꿈은 아닙니다.
양자컴퓨터는 특정 문제에 있어 대규모 연산을 해내는 것이 가능합니다.
결정가능성
이제 우주에 존재하는
모든 입자의 상태를 알고 있고,
이러한 상호작용을 연산할 오류가 없는
양자컴퓨터까지 갖추었다고 가정해본다면,
각종 영화들의 설정처럼
세계의 미래를 정확히 예측하고,
심지어 인간의 의식도 예측하는 수준에
도달할 수 있을까요?
완벽한 데이터와 연산기계를 갖춘다면 결정론의 영역으로 진입할 수 있을까요?
여기서 우리는 두 가지 문제에 부딪힙니다.
첫 번째는 양자역학의 해석 문제이며,
두 번째는 의식의 본질에 관한 문제입니다.
결정론의 두 가지 문제 : 측정 역설과 의식의 본질
측정 역설
0과 1의 확률적 중첩으로
존재할 수 있는 큐비트처럼,
현대 과학은 우리를 구성하는 입자들의 상태
또한 중첩될 수 있음을 밝혀냈습니다.
물리학자들은 이 상태를 표현하기 위해,
디랙 괄호라 불리는 꺾인 괄호 안에
프사이 기호를 씁니다.
디랙 괄호 : 확률적 상태를 나타내기 위한 표현
중첩의 개념은
우리에게 말도 안 되는 것처럼 느껴집니다.
양자역학은 실체가 가질 수 있는
상태들의 확률만을 계산할 수 있습니다.
살아있는 고양이와 죽어있는 고양이가 혼재하는 확률적 상태는 수학으로 기술될 수는 있지만, 우리의 현실과 맞지 않는 것처럼 느껴집니다.
그러나 우리는 반드시 둘 중 하나의
상태로만 존재하는 고양이를 관찰하게 됩니다.
즉, 어떤 입자를 관찰하는 순간 특정 입자가
어떤 상태로 존재할 확률적 분포는 사라지고
단 하나의 상태로 존재하게 됩니다.
이것이 측정의 역설입니다.
대상을 관찰하는 순간, 그 대상의 확률적 분포는 사라지고, 단 하나의 완전한 상태만을 보게됩니다. 이것이 측정의 역설입니다.
그렇다면 확률적 상태인 프사이는
도대체 무엇을 의미하는 것일까요?
양자역학을 연구하는 학자들 사이에서도
이러한 문제를 놓고 미묘한 견해 차이가
존재합니다.
봅 월드는 이런 견해차를 두고
"만약 당신이 진짜로 양자역학을 믿는다면,
당신은 그것을 진지하게 받아들일 수 없다"
라고 요약했습니다.
Bob Wald의 양자역학에 관한 논평은 통찰력이 있습니다.
1. 코펜하겐 해석
그의 말대로 양자역학을 진짜로 믿는 그룹은
닐스 보어와 코펜하겐 학파로,
시스템을 관찰하는 행위가 상태를 한 방향으로
붕괴시킨다는 것에 동의합니다.
그러나 이들은 프사이가
세계를 기술하는 방식이긴 하지만,
양자역학적 체계로 서술되는 실체는
존재하지 않는다는 관점을 취했습니다.
단지 실용적 목적을 위해
계산을 해낼 뿐입니다.
(For All Practical Purpose, FAPP)
코펜하겐 해석에 따르면, 관찰은 파동함수를 붕괴시킵니다. 양자역학은 세계를 기술하는 방식이지만, 그저 실용적 목적을 위해 우리는 계산을 할 뿐입니다.
2. 다세계 해석
두 번째 그룹은
양자역학을 진지하게 받아들이는 그룹으로,
휴 에버렛과 브라이스 드윗 등이 포함됩니다.
다세계 해석을 주장한 이 그룹은,
측정행위로 인해 붕괴되는 과정을 거부하며
관찰이 실행될 때 모든 가능한 결과들은
거대한 양자 선형 중첩으로
공존하고 있다고 주장했습니다.
각각의 세계에는 나의 복사본이 존재하며,
이들 모두가 다른 세계에 존재하므로
의사 교환이 이루어지지 않는다고 생각했죠.
다세계 해석은 파동함수의 붕괴를 거부하며, 확률적 상태인 프사이는 세계를 설명하는 방식으로 진지하게 받아들여집니다.
휴 에버렛이 닐스 보어를 찾아가
다세계해석(에버렛 해석)을 내놓았을 때,
보어는 파동함수가 붕괴하지 않는다는 주장에
매우 분노했습니다.
보어는 에버렛에게 분노했고, 에버렛은 이 방문을 예견된 불행이라고 평했습니다.
3. 파일럿 파동
양자역학을 진지하게 받아들이는
또 다른 그룹은 드 브로이와 데이비드 봄으로,
이들은 파일럿 파동을 주장했습니다.
이들은 입자의 운동이
파동함수에 의해 유도된다고 생각했습니다.
드브로이-봄은 파일럿 파동을 주장했습니다.
이처럼 양자역학을 바라보는 논의들은
아직 통일되지 못한 상태입니다.
그렇다면 의식은 어떨까요?
의식과 물리학
물질의 기본단위는 원자이며,
우리의 뇌 또한 원자로 이루어져 있습니다.
그리고 생각은 신경의 전기적
신호 전달로 이루어집니다.
따라서 신경 신호의 배선들과
원자의 흐름을 전부 알고 계산할 수 있다면,
우리의 생각과 행위를 예측 가능한
결정론의 영역으로 끌어낼 수 있을까요?
지독한 환원주의처럼 느껴지지만, 이런 생각은 누구나 한 번쯤은 해보았을 것 같습니다.
의식과 물리학의 관계에 대해,
학자들은 세 가지 의견을 갖고 있습니다.
의식과 물리학의 세 가지 견해
1. 유물론
첫 번째는 과학적 관점의 유물론으로,
의식은 과학적 작용이며
별다른 특별한 것이 없다는 주장입니다.
앞서 이야기했던 라플라스의 관점이
이와 유사합니다.
유물론은 앞서 말했던 라플라스의 악마와 같은 관점입니다.
2. 이원론
두 번째는 이원론으로,
의식이란 과학의 바깥에 존재하기에
이것을 과학으로 환원하는 것은
불가능하다는 주장입니다.
이원론은 의식의 과학적 환원 불가능성을 말합니다.
이 주장을 한 대표적 인물은
‘나는 생각한다. 고로 존재한다’는 명언을 남긴
철학자 데카르트를 꼽을 수 있습니다.
데카르트는 그의 저서 <방법서설>에서 의식과 신적 존재를 결부시킨 바 있습니다.
3. Objective Reduction
마지막으로 의식은 과학적 작용이긴 하지만,
계산 불가능한 근본적 요소가 존재한다는
주장이 있습니다.
2020년 노벨 물리학상을 받은 로저 펜로즈가
이를 강력하게 주장하고 있습니다.
2020년 노벨 물리학상의 주인공 로저 펜로즈는 의식과 관련된 많은 책을 냈습니다. <황제의 새마음>, <마음의 그림자> 등이 대표적입니다.
펜로즈는 의식에 근본적인 비계산성이 있고,
이를 설명하기 위해 OR이라는
새로운 개념을 도입합니다.
그의 설명에 따르면,
의식이란 단순히 뇌에 존재하는
신경망의 연결로 인해 생성되는 것이 아니라,
뇌 전체에 퍼져있는 미세소관의
대규모 양자적 공명으로 발생합니다.
펜로즈는 미세소관의 대규모 양자적 공명으로 의식이 생성된다고 주장합니다. 이 과정은 비계산적 요소를 가집니다.
이 과정은 비계산적인 요소를 가지며
미세소관 속의 중첩 계산이 진행되려면
약 1초가 걸릴 것이라고 판단했습니다.
만약 그의 주장이 옳다면
라플라스의 악마를 가지고 있어도
우리의 의식을 완벽히 구현하고
예측하는 것은 불가능합니다.
양자적 특성을 가진 컴퓨터라 해도
단지 특정한 문제를 더 빨리 해결할 수 있는
연산 기계에 불과하기 때문입니다.
양자컴퓨터라 해서 우리의 의식이 재현되는 것은 아닙니다. 양자컴퓨터는 단지 중첩을 이용해 빠른 연산이 가능한 '확률적' 튜링기계에 불과하기 때문입니다.
자유의지에 관한 실험
인간의 자유의지에 관한 재미있는 실험 하나를
소개하며 영상을 마치도록 하겠습니다.
피실험자는 자신의 의지에 따라
특정 시간에 손가락을 까딱할 수 있습니다.
그리고 이 피실험자의 두뇌 활동을 관찰하면,
피실험자가 결정을 했다고 생각하기 1초 전에
전기적 활동을 목격할 수 있습니다.
즉 자유의지는 시간의 지연을 수반하고,
이 지연 시간은 대략 1초입니다.
버튼을 누르기 1초 전부터 전기적 신호는 목격됩니다.
이제 큼직한 버튼 하나와 LED가 달린
매우 단순한 장치를 만들어보겠습니다.
당신이 버튼을 누르기 직전에
이 장치는 당신의 전기적 활동을 감지해
LED를 자동으로 점등합니다.
정확히는 당신이 버튼을 누르기 1초 전에
LED가 켜지는 것이죠.
무언가 행동하기 1초 전에 켜지는 LED장치를 보며 우리는 무슨 생각이 들까요?
이런 장치가 우리에게 자유의지가
없다는 것을 증명하는 사례가 될 수 있을까요?
테드 창의 공상과학 소설 <숨>에서도
이런 장치가 등장합니다.
테드 창의 <숨> 단편은 위 실험에 영감을 받아 인간의 자유의지에 관한 작가의 견해를 은연중에 내비치기도 합니다.
이처럼 결정론과 자유의지는
양자역학과 의식의 문제를 동반하고,
이 주제는 꽤 오랜 시간동안
합의점을 찾지 못할 것처럼 보입니다.
준비한 내용은 여기까지입니다.
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이 콘텐츠는 2020년도 정부(과학기술진흥기금복권기금)의 재원으로 한국과학창의재단의 지원을 받아 수행된 성과물입니다.
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