정보의 실체: 양자역학은 어떻게 세상을 계산하는가

▲ 정보는 물리적 실체로 존재할 수 있을까?

정보의 실체: 양자역학은 어떻게 세상을 계산하는가

📚 이 글에서 다루는 내용
1. 세상은 정보로 이루어졌을까?
2. 정보란 무엇인가?
3. 양자 상태는 정보 그 자체다
4. 얽힘: 두 입자, 하나의 정보
5. 정보는 파괴될 수 있는가?
6. 고전 정보와 양자 정보는 무엇이 다른가?
7. 정보는 현실을 설명할 수 있는가?
8. 마무리하며 – 정보는 곧 실체다

1. 세상은 정보로 이루어졌을까?

우리는 세상을 물질과 에너지로 구성된 실체로 이해해 왔습니다. 그러나 20세기 이후 물리학은 아주 다른 방향의 질문을 던지기 시작했습니다. "세상은 정보로 구성된 것은 아닐까?" 이 질문은 철학적 상상이나 추측이 아닙니다. 양자역학은 우리에게 정보라는 개념이 물리적 현실에 영향을 미친다는 놀라운 사실을 보여주고 있습니다. '정보'는 이제 단순히 컴퓨터 안에서 처리되는 데이터가 아니라, 자연의 기본 구성 요소 중 하나로 취급되기 시작했습니다. 우리가 측정하는 위치, 속도, 에너지, 스핀… 모든 것은 정보로 표현됩니다. 그렇다면 '정보'란 과연 무엇일까요? 그리고 물리학에서 그 정보는 어떤 의미를 가질까요?

2. 정보란 무엇인가?

일반적으로 정보는 불확실성을 줄이는 모든 것을 말합니다. 예를 들어, 우리가 동전을 던졌을 때 앞면인지 뒷면인지 모를 때는 불확실성이 존재합니다. 그러나 결과를 보는 순간 우리는 하나의 정보를 얻게 되며, 그 순간 불확실성은 사라집니다. 물리학에서도 마찬가지입니다. 어떤 입자의 상태를 측정하기 전까지 우리는 그 입자가 어디에 있는지 알지 못합니다. 하지만 측정을 통해 우리는 위치라는 정보를 얻게 됩니다. 즉, 정보란 불확실성을 제거한 상태이며, 물리적 행위와 연결된 실체입니다.

3. 양자 상태는 정보 그 자체다

양자역학에서 입자의 상태는 파동함수로 표현됩니다. 이 파동함수는 입자의 가능한 모든 상태에 대한 정보를 담고 있는 수학적 표현입니다. 측정 전까지 입자는 어느 하나의 상태가 아니라, 여러 상태가 중첩된 가능성으로 존재합니다. 이 중첩 상태는 우리가 관측을 통해 하나의 값으로 '붕괴'될 때까지 지속됩니다. 관측 행위가 입자의 상태를 결정짓는다는 사실은 양자역학의 핵심이며, 이는 곧 정보의 존재 여부가 물리적 결과를 만든다는 뜻이기도 합니다.

4. 얽힘: 두 입자, 하나의 정보

양자 얽힘은 양자역학에서 가장 흥미로운 개념 중 하나입니다. 두 입자가 얽히면, 서로 멀리 떨어져 있어도 하나의 정보를 공유하게 됩니다. 한 입자의 상태를 알게 되는 순간, 다른 입자의 상태도 자동으로 결정됩니다. 이는 빛보다 빠르게 정보가 전달되는 것처럼 보이는 현상이며, 아인슈타인이 "유령 같은 작용"이라 부른 이유도 여기에 있습니다. 실제로는 정보가 공간을 초월해 이동하는 것이 아니라, 정보가 원래부터 하나의 시스템 안에 있었다는 해석이 더 일반적입니다. 하지만 중요한 사실은, 정보라는 개념이 입자보다 더 기본적인 연결 고리로 작용할 수 있다는 점입니다.

5. 정보는 파괴될 수 있는가?

양자 정보는 매우 민감하며 쉽게 파괴될 수 있습니다. 이를 '디코히런스'라고 부르는데, 이는 양자 상태가 외부 환경과 상호작용하면서 고전적인 상태로 바뀌는 과정을 말합니다. 예를 들어, 한 입자의 상태가 외부와 조금이라도 연결되면, 그 입자의 파동함수는 더 이상 순수한 중첩 상태를 유지하지 못합니다. 이 개념은 양자 컴퓨팅 기술에서도 매우 중요한 문제입니다. 양자 컴퓨터는 중첩과 얽힘 상태를 이용해 고전 컴퓨터보다 훨씬 빠른 계산을 가능하게 하지만, 이 정보가 외부 환경에 의해 쉽게 무너질 수 있기 때문에 안정적인 정보 유지를 위한 기술이 매우 중요합니다.

6. 고전 정보와 양자 정보는 무엇이 다른가?

고전 정보는 ‘0’ 또는 ‘1’이라는 이진 상태로 표현됩니다. 모든 컴퓨터, 스마트폰, 디지털 장비는 이 고전적 정보에 기반합니다. 반면, 양자 정보는 '큐비트(Qubit)'라고 불리는 단위로 표현되며, 이는 0과 1이 동시에 존재할 수 있는 중첩 상태를 가집니다. 이 중첩 상태 덕분에 양자 컴퓨터는 모든 가능한 계산 경로를 동시에 처리할 수 있습니다. 예를 들어, 고전 컴퓨터는 1억 개의 경우의 수를 순서대로 계산하지만, 양자 컴퓨터는 그 1억 개를 한 번에 계산할 수 있는 잠재력을 지닙니다. 정보 처리 방식의 이런 차이는 단순한 기술적 발전을 넘어, 현실을 바라보는 관점 자체를 바꾸게 됩니다.

7. 정보는 현실을 설명할 수 있는가?

양자정보이론의 발전은 이제 물리학의 가장 근본적인 질문에 도전합니다. "물질과 에너지가 먼저인가, 아니면 정보가 먼저인가?" 이 질문은 마치 '닭이 먼저냐 달걀이 먼저냐'는 철학적 논쟁처럼 보이지만, 실제로 양자중력, 우주론, 블랙홀 연구에서 중요한 논의로 자리 잡고 있습니다. 특히 블랙홀 정보 역설은 이 문제를 극단적으로 보여줍니다. 블랙홀에 들어간 정보가 완전히 사라지는가? 양자역학은 정보가 보존된다고 말하지만, 블랙홀은 그 정보를 숨기거나 소멸시키는 것처럼 보입니다. 이 문제는 아직까지도 해결되지 않았고, 물리학의 가장 심오한 미스터리 중 하나로 남아 있습니다.

8. 마무리하며 – 정보는 곧 실체다

양자역학은 우리에게 단순히 입자와 파동을 넘어서, 정보가 곧 현실이고, 정보가 세상을 결정짓는 요소임을 알려줍니다. 우리는 이제 정보 없이 존재를 논할 수 없습니다. 존재는 단순히 ‘있다’는 것이 아니라, 측정되고 해석되며 인식된 정보의 총합으로 여겨집니다. 다음 글에서는 이러한 양자정보의 개념이 양자컴퓨터라는 기술로 어떻게 발전되고 있는지를 소개합니다. 단순한 계산기를 넘어, 현실의 구조 자체를 바꾸는 기술로 진화하는 그 세계로 함께 들어가보겠습니다.