양자컴퓨터 원리 슈뢰딩거의 고양이 3진법 4진법 반도체와 차이점 / 원소기호 암호 비밀번호 277353 HeNTaI 헬륨 나트륨 탄탈룸 아이오딘(요오드) 광물 가격

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양자컴퓨터 원리 슈뢰딩거의 고양이 3진법 4진법 반도체와 차이점 

양자컴퓨터 원리 슈뢰딩거의 고양이 3진법 4진법 반도체와 차이점

며칠 전에 성균관대 학부생이 4진법 반도체 연구에 핵심 역할을 했다는 기사가 떴다.

관련 글을 쓰다가 양자 컴퓨터를 언급했는데 많은 설명에서 양자컴퓨터를 양자 반도체로 4진법처럼 설명을 했다.

어처구니가 없어서 그나마 내 눈높이로라도 양자컴퓨터 원리를 적어본다.

4진법 반도체 건 10진법 반도체 건 반도체 기반 컴퓨터는 선택지가 다양한 것뿐이다.

효율이 높아지는 것이지 패러다임 자체는 전통적인 2진법 반도체와 같은 영역이다.

하지만 양자 컴퓨터의 반도체? 는 네, 아니오 이외에 불확실이 추가된 영역이다.

이 부분에 대한 설명에 대부분의 설명자들이 00 01 10 11로 설명을 하는데 어처구니가 없다.

일단 그런 거 아니란 걸 강조하고 설명을 더 이어가겠다.

양자컴퓨터의 예 아니요 불확실이라는 게 3 진법하고 무슨 차이냐면 애당초 양자컴퓨터는 도체냐 반도체냐 개념 하고 전혀 다른 개념인 것부터 이해해야 한다.

반도체는 전기가 흐르는 도체 그리고 흐르지 않는 부도체의 중간 어떨 때는 전기가 흐르고 어떨 땐 흐르지 않는 성질을 이용한 소자다.

그래서 0과 1을 표현하는 것이다.

3진법 반도체니 4진법 반도체니 하는 것은 흐르는 조건이 세분화되고 그것을 분명하게 구분할 수 있는 소자를 뜻한다.

이때 중요한 개념은 전자(electron)의 흐름이다.

이게 흐르면 도체 안 흐르면 부도체 조건이 걸리면 반도체라고 부르는 것이다.

그런데 양자컴퓨터는 전자가 아닌 양자(quantum)가 주체다.

다들 물리 시간에 더 이상 쪼갤 수 없는 물질의 단위가 원자라고 배웠겠지만 요즘은 구라인걸 다들 알잖은가? 이게 쪼개지니까 핵폭발이 일어나는 건 삼척동자도 다 아는 사실이다.

그 원자의 핵을 구성하는 양자와 중성자의 그 양자가 맞다.

얘가 전자처럼 흐르면... 큰일 난다.

아무튼 양자는 전기가 아니므로 흐르니 안 흐르니 논할 수가 없다.

그래서 양자컴퓨터에서는 상태라고 표현한다.

실제로는 원자를 구성하고 있는 양자만 따로 분리할 수 없으므로 사실은 원자 컴퓨터 정도로 부르는 게 맞지 않나 싶을 정도로 원자의 상태를 관찰하는 컴퓨터다.

양자에 가까운 원자의 세계를 다루니까 당연히 양자물리학 즉 양자역학이 지배하는 세계다.

슈뢰딩거의 고냥이가 떠 오르는 불확실성의 세계인 바로 그 양자 특성을 이용하는 것이 양자컴퓨터다.

원자의 전자스핀 특정 상태를 관찰해서 0과 1로 구분지어서 정보를 저장하거나 연산한다는 점은 반도체와 같은 개념이다.

하지만 양자나 원자 자체는 전자처럼 흐르지 않으니 그때그때 관찰해야 한다.

아무튼 이렇게 관찰되는 양자컴퓨터에서 정보의 최소 단위는 quantum bit라고 하서 큐비트(q-bit)라고 한다.

전통적인 컴퓨터에서 1bit나 2bit는 아주 큰 차이가 없다.

그런데 양자컴퓨터에서는 양자 얽힘과 양자 중첩 현상을 이용한다.

1개 원자의 큐비트만 바라보면 별거 아니지만 2개 이상의 원자가 하나의 정보 단위가 되기 시작하면 비트단위의 증가와 비교가 안된다. 

전통적인 컴퓨터에서는 그냥 2개의 트랜지스터지만 그 트랜지스터에는 수천 개의 분자(원자도 아닌 분자 단위)가 하나의 정보를 표현하는 데 사용된다.

하지만 양자컴퓨터는 원자 단위를 보기 때문에 몇 개의 원자를 이어 붙인다 한들 반칙이 아니다.

이게 사기 캐릭터가 되는 이유 중의 하나다.(양자 얽힘)

2 큐비트만 하더라도 별게 아니지만 50 큐비트가 되면 2^50의 정보를 표현할 수 있다.

3진법이니 4진법이니 하는 게 무의미 해지는 것이다.

아예 반도체 컴퓨터와 비교하는 것 자체가 난센스 한 것이다.

그런데다 양자 중첩(Superposition) 개념까지 더해지면 이건 사기캐라 이거 판타지 소설 아냐? 할 정도의 세계가 된다.

양자 컴퓨터가 마치 4진법인 것처럼 설명되는 오류 중의 하나가 바로 이 부분이다.

큐비트 하나만으로 설명할 때는 예 아니요 모름? 예이기도 하고 아니기도 한 상태 정도로 설명되는데 2개의 원자로 구성된 2 큐비트 하에서는 예 앞 모름 뒤 모름 뒤 모름 앞 모름 아니요 정도로 표현한 것이 00 01 10 11로 설명한 글들이다.

완전히 오해하기 쉬운 설명이다.

반도체 컴퓨터는 정해진 보기 여러 개 중 하나를 선택하는 방식으로 비유했는데 양자컴퓨터는 예 아니오 불확실한 상태라고 언급했다.

 

사실 양자컴퓨터는 늘 불확실한 상태다.

바로 이걸 설명하는 게 슈뢰딩거의 고양이 이야기인데 그게 더 이해가 힘들다.

청산가리가 든 상자에 고양이가 들어 있는데 이 고양이가 살았게? 죽었게? 대답해 바바 얼른!

양자역학 세계에서 슈뢰딩거의 고양이는 죽어 있으면서 동시에 살아 있다.

혹자에게 이 개념을 설명했더니 로또 당첨 예측이 곧 양자역학의 슈뢰딩거의 고양이 같다고 하더라.

로또 당첨확률은 815만분의 1이지만 사실은 50%라고... 추첨 때(관찰) 동시에 고정되고 추첨 전까지는 당첨인지 낙첨인지 알 수 없다며... 하아... 그거 아니라고...

오히려 마치 드라마 도깨비에서 공유가 자신을 빗대어 "어디에도 있고 또 어디에도 없는 존재"라고 표현한 것이 딱 양자의 상태에 대한 가장 적절한 표현이다.

순전히 유인나 몸매가 탐나서...굳이 이 사진을...

반도체 컴퓨터가 반드시 결정된 값 중의 선택인 결정론적 계산을 하는데 반해서 양자컴퓨터는 위에서 설명란 양자 중첩 개념 탓에 비결정론적 계산에 유리한 특성을 가지고 있다.

중첩만으로 양자컴퓨터 원리를 논할 수는 없다.

양자 얽힘(quantum entanglement)이 함께 적용되어야 된다.

서로 얽힌 양자의 회전은 동일한 방향으로 회전하고 하나를 관찰하면 동시에 그 관찰 시점에 고정된다.

양자 얽힘 특성은 다음과 같이 설명할 수 있다.

256개의 상자에 어떤 특별한 것을 넣어 두었다고 가정할 때 반도체 컴퓨터는 256번 상자를 다 열어 보고 나서야 어떤 상자에 어떤 특별한 정보가 있는지 알 수 있다.

사실 그게 특별한 정보인지는 정확히 모르지만 예컨대 가장 큰 수가 들어 있는 상자는 몇 번 상자인가?라는 질문에 대한 답을 하는 상황이라 가정하면 256번 상자를 열어봐야만 한다.

하지만 양자컴퓨터는 양자 얽힘 개념을 도입하면 한 번만 열면 된다.

얽힌 256개 상자를 동시에 연다는 설명인데... 사실 꼭 그렇지도 않고 그쯤 되면 판타지 소설이지 과학은 아닐 것이다.

이 부분이 언뜻 이해가 힘들 수 있다.

공연 중인 김연아 선수가 양자 컴퓨터라고 상각 해보자.

트리플 액셀을 할 때 김연아 선수가 웃고 있는지 인상 쓰고 있는지 관찰 전에는 알 수 없다.

실제는 어떤지 모르겠지만 김연아 선수는 꾸준히 미소를 지으려 애쓰지만 안간힘을 쓰느라 인상이 쓰이기도 한 상태라고 가정하자.

관찰이 필요할 때 사진을 찍는다.

양자의 상태는 관찰과 동시에 고정된다는 소리는 바로 이런 개념이다.

고정됐다고 해서 원자의 전자스핀이 관찰자가 쳐다보니까 딱 멈춘다는 뜻은 아니다.

사람은 양자역학 하에서 원자의 전자스핀을 예측하고 예상해서 확률을 정할 수는 있지만 정확히 어떤 지점에 있다고 말할 수 없다.

전자가 특정 지점에 있을 확률이 50%인 동시에 특정 지점에 없을 확률도 50%인 정도가 아니라 특정 지점에 있을 확률이 50% 일 때 특정 지점 b에도 있을 확률도 50%인 상태다. 

양자 중첩이 이해됐다면 양자 얽힘과 함께 이해해 보자.

14 큐비트의 김연아는 김연아 갈라쇼다.

김연아와 13명의 피겨선수가 공연 중일 때 사진을 찍는다.

이게 14 큐비트 양자컴퓨터다.

이 14 큐비트는 반도체 칩 하나가 아니라 이 칩을 구성하는 하나의 트랜지스터와 동급 레벨이다.

트랜지스터가 2가지 상태 값만 갖는 것에 비해서 n큐비트 양자컴퓨터는 2^n큐비트의 상태 값을 가진다.

반도체는 2진법이라 256개 상자에서 가장 높은 수가 적힌 메모를 찾으려면 256번 상자를 열고, 닫아야 하는데 비해서 256 큐비트 양자 컴퓨터는 양자 얽힘과 양자 중첩 특성으로 단 한 번에 256개 상자를 열어서 가장 높은 수를 찾을 수 있다.

문제는 아직 256 큐비트는 구현되지 못했기 때문에 판타지로 남아 있다.

스포 하나 하자면 지금 연구 중인 양자컴퓨터들이 그럴 능력을 갖고 있지도 않다.

기껏해야 가장 최근 소식이 49 큐비트다.

간혹 양자컴퓨터에서는 양자 얽힘 특성으로 초광속 통신이 가능한 것처럼 얘기를 하기도 한다.

예컨대 서로 얽혀 있는 양자 한 쌍이 있을 때 하나는 지구에 두고 다른 하나는 화성에 가져가서 통신에 이용한다면 기존의 무선 통신은 지구와 화성 간의 통화에 편도 15분이 걸린다.

안부를 묻는데만 30분이 걸린다.

양자 얽힘은 거리와 상관없이 동시라고 표현되어서 지구 화성 간 통신이 실시간으로 일어날 것이라고 날조하는 설명들을 본 적이 있다.

턱도 없는 얘기다.

양자 역학의 세계도 아인슈타인의 세치 혀 위에 있다.

양자 얽힘도 상대성이론을 깨지 못한다.

양지 얽힘도 빛의 속도 이하로만 동작한다.

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원소기호 암호 비밀번호 2 7 73 53 HeNTaI 헬륨 나트륨 탄타륨 아이오딘(요오드)

오 이 방법 쌈빡하다.

아무튼 좋은 아이디어 감사하다.

그런데 이 원소기호 비밀번호에서 2가지를 짚어보자.

탄탈룸과 아이오딘이다.

비교적 쉬운 원소기호 53 아이오딘을 먼저 짚자.

구세대인 내게 아이오딘이라는 원소 이름은 생소했다.

하지만 원소기호를 보니...'이거 요오드잖아?'

언제 내 허락도 안 받고 명칭이 바뀐 거지?

이미 15년 전에 바뀌었다.

원소 및 화합물 용어 이름 표기 법 개정으로 원소 109개, 화합물 325종의 이름이 바뀌었다.

그중에서 대표적으로 쇼킹한 원소 이름의 경우 요오드(iodine)는 `아이오딘', 크롬(chromium)은 `크로뮴', 게르마늄(germanium)은 `저마늄', 나트륨(sodium)은 `소듐', 칼륨(potassium)은 `포타슘'으로 바뀌었다.

단 갑작스러운 표기 변경에 따른 혼란을 피하기 위해 나트륨과 소듐, 칼륨과 포타슘은 병행해 사용토록 했다.

나트륨 하고 칼륨 너(희)마저...

원소기호 73번인 탄탈룸으로 넘어가자...

제우스와 요정 플루토의 아들로 신을 시험한 죄로 벌을 받던 탄탈로스에서 유래한 이름이다.

산을 흡수하지 않아서 배고픔과 목마름의 형벌을 받던 탄탈로스...

아틀라스의 딸인 니오베 사이에서 난 그의 아들인 니오베가 비슷한 특성을 가진 원소 니오븀인 것은 절묘한 작명이다.

이 녀석도 구세대에겐 그냥 탄탈이었다.(독일어로 Tantal 탄탈로 발음 일재 잔재에서 발름 차용)

그러다가 아마 개정을 통해서 탄탈륨으로 불리게 됐을 텐데 아예 거기서 더 나아가서 탄탈럼으로 불린다.

외래어 표기를 원어에 가깝게 하자는 것이 개정 취지인데... 얘만 생뚱맞게 탄탈륨으로 부르는 건 근본도 없는 국적불명의 용어가 돼버린다는 것이 이유다.

Tantalum은 원소기호 Ta는 라틴어 표기라 발음은 탄탈룸이 된다.

아마 탄탈룸이라고 하는 것이 발음과 표기가 표준어인 듯싶다.

그런데 동일한 철자의 영어는 탠털럼으로 발음된다.

산성에 반응하지 않는 내산화성 고온에서만 녹는 난용성(5번째로 녹이기 힘듦)을 가진 재료다.

산으로 녹이려면 왕수로 1500도 이상의 고온에서만 녹일 수 있다.

희귀 원소라곤 했지만 살짝 흔하다.

적어도 우리나라에 풍부하게 매장되어 있다는 텅스텐보다 흔한 원소다.

다만 한반도에 안 흔할 뿐.

열과 전기 전도성도 좋다.

탄탈룸은 백금의 대체재로 사용될 수 있어서 휴대전화 의료기 등에 사용되는 희귀 원소다.

가장 흔하게 사용되는 전자부품은 콘덴서(캐퍼시터)다.

내 부식성이 강해서 인공뼈 등의 의료용 임플란트 재료로도 사용된다.

강도가 높아서 절삭공구로도 활용된다.

나이오븀과 화학적 성질이 비슷해서 같은 광물에서 발견된다.

탄탈룸 광물로 알려진 것이 콜탄이다.

콜럼 바이트 탄탈 라이트 두 광물의 앞글자만 따서 표기한 광물이다.

한 종류의 광물이지만 니오븀 함량이 많으면 콜럼 바이트 탄탈럼 함량이 높은 것은 탄탈 라이트이고 이 둘을 합쳐 콜탄이라고 한다.

콩고에서 가장 많이 나서 콩고를 비극에 몰아넣은 주범이기도 하다.

탄탈럼 가격은 국제 시세로 1kg에 현재는 280불 수준 2018년에는 330불 정도 했다.