양자컴퓨터 시대의 양자 교양

프롤로그┃양자 시대를 위한 최소한의 교양

Part 1_ 현묘한 양자역학

I. 양자의 매혹: 21세기를 사로잡은 미시 세계의 마법
• 이성과 직관 사이의 현묘한 춤, 양자역학과의 만남
• 그 자체로도 신비하고 인간적인 모습의 양자
• 양자 기술, 미래에 대한 거대한 기대와 희망
• 새로운 인문·사회과학 이야기, 양자 담론
• 양자역학, 선택이 아닌 필수가 된 시대

II. 빛과 물질의 이중생활: 양자역학의 수수께끼
• 상식을 뒤엎는 미시 세계의 반란
• 양자역학의 핵심은 무엇인가?
• 물리학의 가장 작고 강력한 혁명 ‘양자’, 무슨 뜻인가?
• 신성하고 위대한 그리고 친숙한 존재, ‘빛’
• 파동인가 입자인가, 아인슈타인이 밝힌 빛의 이중성
• 물질도 파동이다, 드 브로이의 대담한 가설

III. 코펜하겐에서 시작된 양자 혁명: 새로운 세계관의 탄생
• 합리적이고 과학적이지만은 않은 과학 패러다임의 전환
• 주사위 던지기의 신, 확률로 지배되는 미시 세계
• 슈뢰딩거 고양이, 도대체 무엇이 문제인가?
• 행렬역학과 파동 방정식을 포섭하는 보어의 세계관, 상보성
• 원자 속 전자들의 현묘한 춤, 확률의 구름과 오비탈
• 마지막 근대인 아인슈타인의 수수께끼

Part 2_ 프로메테우스의 불, 양자컴퓨터

IV. 아직 완성되지 않은 양자 기술 혁명: 양자컴퓨터
• 양자 혁명, 부분과 전체의 새로운 관계
• 양자컴퓨터는 무엇이고 기존 컴퓨터와 어떻게 다른가?
• 양자컴퓨터는 왜 필요한가?
• 반도체는 논리의 좌뇌 vs 양자컴퓨터는 직관의 우뇌
• 양자컴퓨터가 가지고 올 변화는 무엇인가?
• 양자 기술의 상용화를 가로막는 기술적 난제

V. 양자 인공지능 시대, 제조업을 다시 주목해야 한다?
• ‘제조업 르네상스’, 첨단산업 혁신과 제조는 얽혀 있다!
• 양자컴퓨터와 제조업 생태계 간 상호작용

VI. 현대 과학·기술 패러다임과 얽힌 국제 질서 변화의 서사: 양자 과학에서 전략기술로, 원자폭탄과 반도체, 그리고 양자컴퓨터
• 대전환의 시대, 그 변화는 이미 시작되었다!

에필로그 — 미래는 예측이 아닌, 창조해 나가는 것이다
감사의 글
부록 — 기본 물리량 개념 알아두기, F=ma에서부터 에너지까지
주

“내게도 의지가 있는데, 왜 모든 게 정해진 대로 흘러가야 하나?” (중략)
양자역학의 핵심 원리는 불확정성 원리다. 관측되기 전 양자의 상태를 확률적으로밖에 알 수 없다. 확률적으로 접근할 수밖에 없는 이유는 위치와 속도를 동시에 알 수 없기 때문이다. 그렇기에 과거와 미래가 연결된 일종의 경로가 존재할 수 없다. 모든 것이 정해져 있다는 차갑고 직선적인 논리보다는, 꼭 그렇게만 되지 않을 수 있다는 더 인간적인 가능성, 그 이야기에 우리는 마음이 끌린다. 다만, 과학 원리로서 양자역학의 불확정성 원리와 세상과 삶의 불확실성이 같다는 이야기는 아니다.
- 그 자체로도 신비하고 인간적인 모습의 양자_중에서

아인슈타인은 광전효과 논문을 통해서 빛의 이중성을 밝히며 양자역학 시대의 문을 활짝 열었다. 그가 양자역학을 위시한 현대 물리학의 시대를 열었지만, 새로운 시대를 받아들이는 옹호자로서 존재하진 않았다. 그는 오히려 새로운 시대를 거부하는 저항 세력의 수장이었다. 양자역학이라는 새로운 패러다임을 완성한 것은 여러 젊은 천재 과학자들이다. 그렇다고 아인슈타인이 양자역학 패러다임 완성에 기여하지 않았다고 볼 수는 없다. (중략) 젊은 과학자들은 그의 집요하고 강력한 응전을 다 극복하며 양자역학이라는 새로운 패러다임을 완성한다.
- 합리적이고 과학적이지만은 않은 과학 패러다임의 전환_중에서

슈뢰딩거는 자신이 만든 파동 방정식이 확률적으로 해석되는 것을 받아들일 수 없었다. 그래서 코펜하겐 학파의 확률적 접근을 반박하기 위해서 내놓은 사고 실험이 앞에서 본 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험이다. 하지만 그의 의도와 다르게, 고양이 사고 실험은 양자역학 세계 이해의 깊이를 넓혔다. 또한 그의 파동 방정식은 수소 원자의 운동을 정확히 계산하는 등 원자 세계를 설명하는 수학적 체계로서 그 실효성이 입증된다. 그 결과 슈뢰딩거의 파동 방정식은 행렬역학과 함께 양자역학이 학문적 지위를 얻는 데 크게 기여한다. 이로써 슈뢰딩거는 1933년에 노벨 물리학상을 수상한다.
- 행렬역학과 파동 방정식을 포섭하는 보어의 세계관, 상보성_중에서