20세기에 들어와 양자역학 덕분에 원자의 작동 원리를 제대로 이해하기 시작한 인류는 원자 속 깊숙이 숨겨져 있던 막대한 에너지에 손을 대기 시작했다. 핵에너지를 제어하고 사용하는 방법을 통달하는 과정에서 양자 문명이 탄생했다. 양자역학은 원자의 궁극적 비밀을 밝혀낸 과학적 쾌거였을 뿐 아니라 인간과 물질 사이의 관계를 새로 쓰게 된 계기이기도 했다. 반도체와 레이저는 양자역학을 일상생활에 응용할 방도를 찾는 과정에서 탄생한 물질이다. 물질이 작동하는 방식을 원자 수준에서 이해하기 시작한 순간부터, 인간은 새로운 물질을 우연히 발견하는 수동적인 존재에서 신물질을 능동적으로 설계하고 합성하는 존재가 되었다.
--- p.20

양자역학의 가장 섬세하고 궁극적 측면인 중첩과 얽힘과 확률적 현실을 우리가 배우고 친해져야 할 이유는, 양자가 이미 과학을 넘어 문명의 한 단계가 되었기 때문이다. 이미 성숙한 토대 위에 놓인 증기 문명과 전기 문명에 비해 양자 문명은 아직도 발전 중이다. 양자 문명의 파도를 잘 타려면 새로운 문법을 익혀야 하는데, 그 문법은 양자역학이라는 언어로 씌어 있다.
--- p.25

증기 문명을 견인한 일등 공신인 제임스 와트는 영리하고 손재주가 뛰어난 기술자였지만, 체계적인 과학 교육을 받은 학자는 아니었다. 수증기가 지닌 열에너지가 어떻게 증기기관을 통해 역학적 일로 변환되는지, 그 과정을 이해하고 설명할 명확한 언어를 당시 과학자들도 아직 개발하지 못한 상태였다. 이론이 기술 개발을 지휘한 것이 아니라, 증기기관이라는 도구와 그로 인해 펼쳐진 증기 문명의 역동성이 과학자들을 자극해 열의 본질과 열기관의 작동 원리를 규명하게 만든 것이다. 사회적으로도 공장제 생산과 도시화가 확산되면서 새로운 노동 제도와 기술 교육, 그리고 산업사회에 걸맞은 경제·정치 사상이 뒤따랐다. 도구의 발전이 새로운 사상과 제도를 이끌어낸 사례라고 볼 수 있다. 인공지능이 먼저 상용화되고, 그 작동 원리를 이해하려는 과학자들의 노력과 인공지능 시대에 걸맞은 도덕률과 사회 운영 체계의 탐색이 그 뒤를 따르는 오늘날의 모습이 그리 새롭지 않게 느껴진다.
--- p.49

전자기학의 모든 현상을 하나의 방정식으로 통합한 맥스웰, 그 방정식이 예고한 전자기파의 존재를 실험으로 증명할 가치를 알아본 헬름홀츠, 스승의 제안에 따라 전자기파 발생기라는 전대미문의 도구를 만들어낸 헤르츠, 헤르츠가 발견한 광전효과를 양자 가설에 기반한 광자의 개념으로 깔끔하게 해명해낸 아인슈타인으로 이어지는 흐름은, 새로운 이론이 새로운 도구를 낳고, 새로운 도구가 새로운 관찰을 가능하게 하며, 새로운 관찰이 다시 새로운 이론을 잉태하는 아름다운 과학의 서사 한 자락이다.
--- p.77

벨 연구소의 토양 위에서 탄생한 트랜지스터는 자연에서 우연히 발견한 물질이 아니었다. 인간이 양자역학이라는 이론을 도구 삼아 연구실에서 설계하고 실험실에서 합성한 대표적인 인조 물질이었다. 문명의 발전이라는 관점에서 보면 트랜지스터의 발명은 전기 문명과 양자 문명의 만남을 상징하는 사건이다. 인류가 그 이전까지 에너지를 얻던 수단인 근력, 수력, 증기력, 전기력을 압도하는 핵에너지를 발견하고 그 사용법을 습득하면서 첫 번째 양자 문명의 시대가 열렸다면, 트랜지스터의 폭발적인 진화를 통해 정보 통신 사회가 열리면서 두 번째 양자 문명의 시대가 도래했다고 볼 수 있다.
--- p.84

인공지능 시대를 넘어 그다음 문명을 견인할 만한 계산기를 인류가 만들어낼 수 있을까? 만약 가능하다면 그 주인공은 양자컴퓨터가 될 것이다. 그동안의 컴퓨터는 반도체 소자를 연산의 기본 단위로 삼았고, 소자를 설계하는 데 사용했던 이론은 양자역학이었다. 양자컴퓨터에서는 양자역학 자체가 연산의 주인공으로 등장한다. 반도체 설계의 기본이 되었던 양자 고체물리학은 양자역학의 특성인 얽힘을 활용하지 않는다. 그 덕분에 양자 물질로 만들어진 반도체 소자가 늘 같은 입력 값에 대해 같은 출력 값을 주는 결정론적인 연산 장치 역할을 할 수 있는 것이다. 반면 양자컴퓨터의 기본 소자인 큐비트는 양자역학의 중첩, 얽힘, 관측에 따른 상태의 붕괴라는 양자역학적 본질을 유지해야만 한다. 그로 인해 관측의 확률성이라는 양자역학적 특성도 계산 과정에서 고스란히 물려받는다. 양자컴퓨터는 계산 결과가 그때그때 다른 확률적 계산기이다. 확실성이라는 친숙한 계산의 특성을 일부 포기하는 대가로 기하급수적인 계산 속도의 증가를 얻는다.
--- p.146

미시적 세계에서 ‘이거나’로 표현되던 중첩이 어떻게 거시 세계에서는 ‘이면서’인 상태로 나타날 수 있을까? 양자 구슬을 이용한 마술의 비유처럼, 여러 번 반복된 측정의 결과를 합하면 구슬은 빨간 주머니에 ‘있으면서’ 동시에 파란 주머니에도 있다는 해석이 가능하다. 단 한 번의 측정만 하면 입자는 빨강, 또는 파랑의 양자 택일을 해야 하지만 여러 번 반복된 측정을 통해 입자는 점차 빨간 주머니에도 있고 파란 주머니에도 있는 공존의 상태로 전이해간다. 우리에게 친숙한 거시 세계의 ‘이면서’식 중첩은 ‘이거나’식 중첩에 대한 관측을 반복했을 때 발현되는 현상으로 해석할 수 있다. 따라서 ‘이거나’와 ‘이면서’는 서로를 배제하지 않는다. 이것이 양자역학적 세계를 고찰해서 얻을 수 있는 교훈 중 하나다.
--- p.169

현실 세계에서 중첩된 상태는 어떻게 이해해야 할까? 원자가 가질 수 있는 가장 낮은 에너지 상태(|0〉)와 그다음으로 낮은 에너지 상태(|1〉)라는 두 기저상태를 중첩할 수도 있다. 원자가 |0〉도 아니고 |1〉도 아닌 어중간한 상태에 있다고 표현하면, 우리는 건물의 1층도 아니고 2층도 아닌 1.5층, 혹은 1층에서 2층으로 올라가는 계단 어딘가에 서 있는 사람을 생각하게 된다. 그러나 원자의 중첩은 이런 일상생활에서의 비유로는 제대로 설명되지 않는다. 이런 한계를 뛰어넘는 안전한 방법은, 구면 위를 가리키는 화살표의 방향으로 중첩을 받아들이는 것이다. 북극과 남극을 제외한 다른 모든 방향을 가리키는 화살표는 중첩된 상태다. 중첩 상태를 이해하려면 우리에게 익숙한 직관을 내려놓고, 이 구와 화살표 비유를 출발점으로 삼는 편이 낫다.
--- pp.195-196

이렇게 풍부한 정보를 담은 양자 상태를 만들어내는 데 성공했다면 일단 양자 연산 자체는 끝이 난다. 하지만 연산 결과를 읽어내는 과정에서 엄청난 병목 현상이 벌어진다. 문학적 상상력을 조금 발휘하자면, 저승(양자적 세계)에 살던 영혼이 이승(고전적 세계)으로 넘어오려고 할 때 인간의 육체라는 외투를 입어야만 하는 상황과 비슷하다. 영혼의 세계는 자유롭다. 중첩이든 얽힘이든 뭐든 가능하다. 하지만 이 세상으로 건너오기 위해 측정이라는 이름의 강을 건너는 순간, 영혼은 양자 상태의 붕괴라는 매우 비싼 통행료를 지불해야만 한다.
--- p.231

양자컴퓨터 개발의 역사는 쇼어 알고리즘이 등장하기 이전과 이후로 나뉜다고 해도 과언이 아니다. 이론적인 측면에서 보면 1981년 엔디콧 모임 이후 발전을 거듭한 양자 알고리즘 이론은 쇼어의 알고리즘을 통해 정점을 찍었다. 그보다 중요한 변화는, 쇼어 알고리즘 등장 이후 양자컴퓨터 개발이 더 이상 순수 과학자나 수학자만의 문제가 아니라는 점이 분명해졌다는 사실이다. 2001년에는 분자의 원자핵을 기반으로 한 양자컴퓨터를 이용해 15=3×5 인수분해에 성공했다는 보고가 있었고, 이후 초전도체 기반 양자컴퓨터를 이용해 35=5×7 인수분해에 성공했다는 소식도 있었다. 물론 이런 초보적인 결과는 쇼어의 알고리즘을 구현해 암호 해독에 성공했다기보다는 양자컴퓨터 제작자들이 만든 컴퓨터가 잘 작동한다는 점을 세상에 드러내기 위한 일종의 자기 검증이었다고 보는 편이 정확하다.
--- p.240

연산 도중 오류가 발생했는지 알고 싶으면 양자 상태를 그때그때 들여다봐야 한다. 이럴 때 자칫 잘못하면 애써 만든 양자 상태가 붕괴해버리는 비극이 일어날 수 있다. 그래서 양자 연산 과정에서 일어나는 오류를 찾아내고 보정할 때는, 양자 상태가 붕괴하지 않도록 오류의 흔적만 조심해서 골라 측정해내고, 그렇게 찾아낸 오류를 곧바로 고쳐가며 연산을 이어가야 한다. 마치 몸속 깊은 곳에 종양이 있는 환자를 마취도 하지 않은 채, 환자가 눈치채지 못하는 사이 의사가 진단과 수술을 모두 끝내야 하는 상황과도 같다. 양자컴퓨터에서는 이런 기적 같은 일이, 계산이 완전히 끝날 때까지 계속 벌어져야만 한다.
--- p.244

양자컴퓨터가 이전의 모든 계산기를 무용지물로 만들 만큼 강력한 계산 능력을 지녔다는 주장은 다가올 미래에 대한 상상력과 두려움을 동시에 자극하기에 더없이 좋은 소재다. 그러나 이런 주장은 양자컴퓨터의 잠재력을 다소 과장한 측면이 있다. 양자컴퓨터가 고전컴퓨터보다 더 빨리 풀 수 있는 문제는 극히 제한적이다. 지금보다 훨씬 성능이 뛰어난 양자컴퓨터가 등장하더라도 고전컴퓨터가 담당할 계산 영역은 계속 남아 있을 것이다.
--- pp.249-250

차분기관에서 에니악을 거쳐 오늘날의 컴퓨터에 이르기까지 그 역사를 돌아보면, 계산기의 발전 뒤에는 언제나 기존 방식으로는 감당할 수 없는 복잡한 계산을 해결하려는 시대적 요구가 있었다. 양자컴퓨터가 하필 지금 등장한 이유도 여러 가지가 있겠지만, 그중 하나는 고전컴퓨터만으로는 해결하기 어려운 계산 문제가 우리 앞에 현실적인 과제로 다가왔다는 공감대가 형성되었기 때문일 것이다.
--- p.260

양자역학은 우리 일상과 동떨어진 미시 세계를 서술하는 이론이라는 전통적인 관점은 이제 거시적 양자 현상을 설명하기에 충분하지 않다. 고전적 세계와 양자 세계의 경계는 어디에 있는지, 그 경계가 실은 우리가 만들어낸 물질이나 실험 장치의 종류와 품질에 따라 유동적으로 바뀌는 것은 아닌지, 하는 질문도 자연스럽게 제기된다.
--- p.300

양자컴퓨터가 대중적 파급력을 발휘하려면, 수백만 개의 큐비트와 그것을 제어하는 소자가 모두 한 기판 위에 집적되거나 서로 다른 기판에 분산되어 있으면서 원활하게 정보를 주고받을 수 있어야 한다. 다만 초전도 소자는 절대영도 가까이에서만 작동한다는 제약 조건이 있는 만큼, 기존 반도체 공정에서는 고민한 적이 없는 다양한 재료과학적 난제가 도사리고 있을 것이다. 한 가지 분명한 점은 현재 우리가 갖고 있는 양자컴퓨터의 모습은 집적회로가 등장하기 전 컴퓨터의 모습, 즉 수많은 개별 소자와 이를 연결하는 배선이 뒤엉켜 있는 모습을 많이 닮아 있다는 사실이다.
--- p.315

증기 문명은 증기의 힘을 길들이면서 시작되었고, 전기 문명은 전기의 힘을 길들이면서 꽃을 피웠다. 첫 번째 양자 문명은 원자핵 속에 감춰져 있던 에너지를 활용하는 데 성공한 결과였고, 두 번째 양자 문명은 전자와 광자의 흐름을 제어하는 기술 위에서 가능해졌다. 이제 세 번째 양자 문명은 자연의 본질이자, 어쩌면 인간 사고의 본질일지도 모르는 ‘확률’을 길들이는 여정이라고도 볼 수 있다.