알버트 아인슈타인은 양자 이론의 본질에 대해 강한 회의를 표명했던 대표적인 인물로, 그의 유명한 발언, “신은 우주와 주사위 놀이를 하지 않는다(God does not play dice with the universe)”는 양자 세계에 내재된 무작위성과 불확실성에 대한 그의 깊은 회의를 상징합니다. 이 발언은 아인슈타인의 결정론적 우주관을 보여줍니다. 그는 우주가 확률에 좌우되지 않고 예측 가능한 법칙과 원리에 따라 움직인다고 믿었습니다.
양자역학과의 충돌: 결정론 대 불확실성
양자역학의 도래는 고전 물리학의 확고한 확실성을 뒤흔들며 패러다임의 전환을 가져왔습니다. 아인슈타인의 회의의 핵심에는 입자가 여러 모순된 상태에 동시에 존재할 수 있다는 중첩(superposition) 개념이 있었습니다. 고전 논리에서는 물체가 명확한 상태에 존재해야 하지만, 중첩은 이를 완전히 거스르는 것이었습니다. 아인슈타인은 이와 같은 불확실성을 결정론적 법칙으로 지배되는 우주관과 조화시키는 데 어려움을 겪었습니다.
아인슈타인에게 우주는 해결해야 할 거대한 퍼즐과 같았으며, 이는 우연이 아니라 근본적인 질서와 논리에 의해 지배된다고 믿었습니다. 그의 양자역학에 대한 회의는 인간 이성이 우주의 신비를 밝혀낼 수 있다는 신념에서 비롯되었습니다.
슈뢰딩거의 고양이: 중첩의 역설
아인슈타인의 의구심에도 불구하고, 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거는 중첩의 본질을 설명하기 위해 슈뢰딩거의 고양이라는 사고 실험을 제안했습니다.
- 이 사고 실험에서 상자 안의 고양이(예: “whiskers”)는 독이 든 병과 함께 있습니다. 병은 1시간 안에 독을 방출하거나 방출하지 않을 확률이 동일합니다.
- 양자역학 법칙에 따르면 상자를 열고 관찰하기 전까지 고양이는 살아있으면서 죽어 있는 중첩 상태에 존재합니다.
이 실험은 중첩의 기묘한 결과를 강조하며, 물리학자들에게 그 함의를 고민하게 만들었습니다.
양자 컴퓨팅에서 중첩과 간섭의 역할
중첩 상태에서는 입자나 휘스커스와 같은 고양이가 동시에 여러 상태에 존재할 수 있습니다. 양자 컴퓨팅에서 중첩은 큐비트가 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있게 합니다. 이를 **블로흐 구(Bloch Sphere)**로 시각화할 수 있습니다.
- 블로흐 구에서 중첩 상태는 적도에 존재하고, 기저 상태(0과 1)는 극지방에 위치합니다.
- 이 중첩은 양자 컴퓨터가 여러 경로를 동시에 탐색하도록 하여, 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산이 가능하게 만듭니다.
그러나 이러한 강력한 성능을 최대한 활용하려면 **간섭(interference)**이 필요합니다.
간섭이란?
간섭은 파동이 상호작용하여 **발전적 간섭(constructive interference)**으로 증폭하거나 **소멸적 간섭(destructive interference)**으로 상쇄되는 현상입니다.
- 발전적 간섭: 원하는 결과를 증폭.
- 소멸적 간섭: 불필요한 경로를 억제.
예를 들어, 소음 제거 헤드폰은 간섭을 활용해 원치 않는 소음을 제거합니다. 헤드폰은 원래 소음과 정반대 위상의 파동을 생성하여 소리를 상쇄합니다. 이처럼 양자 컴퓨터도 간섭을 사용하여 정확성과 속도를 확보합니다.
결론
양자 컴퓨팅에서 중첩과 간섭은 놀라운 계산 성능을 가능하게 하는 핵심 요소입니다.
- 중첩은 큐비트가 동시에 여러 상태에 접근하도록 하고,
- 간섭은 이 과정을 원하는 결과로 안내합니다.
아인슈타인의 의구심과 슈뢰딩거의 사고 실험은 양자역학의 깊은 수수께끼를 드러내며, 기존의 사고 방식을 뛰어넘는 새로운 가능성을 열어줍니다.