3-1. 양자 도약의 원리를 이용한 "마인드 업로드" 

항상 생명체의 뇌에서 양자물리학 현상이 나타난다면 어떠한가? 라는 고민을 많이한다.

뇌 생체시스템에 양자물리학 현상이 발견되면 양자 불확정성 원리에 따라 두 가지 연관된 물리량인 위치와 속도를 각가 정확히 기술할 수 없다는 특성으로 인하여

양자가 갖는 복제불가능성의 근거가 되기 때문이다. 때문에 이를 바탕으로 절대 보안인 양자암호를 구축하려는 시도이다. 

(단, 양자 상태는 다광자를 이용할시 PNS 공격으로 인한 도청의 가능성이 있으므로 , 안정성이 보장되기 위하여는 단일광자 상태여야한다.)

=> 관련기술에 대해 자세히 읽어보지 않으신 분들이라면, 양자를 이용한 암호라면 무조건 절대보안이 실현된다고 알고 있는데 이건 잘못된 생각이다.

하지만 불확정성 원리는 양자역학에서 두 개의 관측 가능한 물리량을 동시에 측정할 때, 두 물리량이 교환 가능한 물리량이 아니라면 관측한 두 물리량 사이의 정확도에는 물리적 한계가 있다는 원리이다. 입자를 파동의 중첩으로 표현하는 불확정성 원리는 측정 때문에 생기는 것이 아니다.  즉, 물질(입자 및 파동) 자체가 갖고 있는 물리적인 성질에 기인하는 것이다.

쉽게 말하여, 양자의 위치를 관측하는 순간 결정되는 것이다, 위치를 단독적으로 관측한다면 100%로 관측이 가능하다. 

서로 교환 불가능한 물리량(위치,운동량)을 함께 측정할 때, "두 물리량"을 동시에 "정확히" 측정할 수 없다. 

그럼 먼저 양자 도약의 연구 사례를 보자.

광자 한 쌍이나, 분자 한 쌍을 양자 순간이동 시킨 연구는 많이 있었지만 다수의 광자를 양자 순간이동 시키기는 어려웠다. 하나의 광자를 순간이동 시키기 위해서는 먼저 얽힌 광자쌍을 만들어낸 뒤 양자 얽힘을 구별하는 양자측정(벨 측정)이 필요한데, 양자역학의 불확실성 때문에 성공확률이 50%를 넘을 수가 없었다. 즉, 광자 여러 개를 보내기 위해 여러 번 측정할수록 성공할 수 있는 확률이 기하급수적으로 낮아진다는 뜻이다.

연구팀은 광자 낱개 간의 얽힘이 아닌 많은 수의 광자들이 한꺼번에 얽혀있는 상태를 이용해 이 문제를 해결했다. 많은 광자들이 함께 얽힌 ‘다광자 얽힘 상태’를 이용하면 단일 광자에 대한 양자측정이 단 한 번만 성공해도 다른 모든 광자들이 얽혀있는 상태라는 것이 확인돼 많은 광자들을 순간이동 시킬 수 있었다.

위에서 말했듯이 "양자의 불확실성"으로 양자 보안을 실현시킬 수 있는 이유는 "단일 광자" 이여만 가능하다.

만약 다광자의 상태일 경우에는 양자 보안도 도청으로 인하여 뚫히는 것이고, 다광자 얽힘 상태를 이용하면 단 측정에 성공시 다른 모든 광자들의 얽혀 있는 상태를 확인할 수 있으며

공간도약을 시킬 수 있다.

2015년에 우리나에서 성공한 양자 도약의 대표적인 성공사례를 인용하였다.

http://dongascience.donga.com/news.php?idx=6368 

외국에서는 이미 1994년 IBM의 과학자 찰스 베넷에 의하여  "양자 얽힘"을 통해 입자 상태의 공간이동이 물적으로 가능함을 입증하였다.

그 이후로 양자 얽힘을 이용한 양자 도약의 시도는 현재까지 진행중이며, 그 규모와 정확성, 안정성을 높혀가고 있는 중이다.

https://science.sciencemag.org/content/345/6196/532.abstract#aff-1

양자 정보를 순간이동 하는 실험에 성공한 연구진은 또 있다. 지난 9월 크리스토프 클로젠(Christoph Clausen) 박사를 비롯한 스위스 제네바대학교(Université de Genève) 연구팀이다. 이들은 광자(photon)의 양자 상태를 25킬로미터(km) 떨어진 결정체로 순간이동 하는데 성공했다 이들은 이미 2003년 6킬로미터(km) 순간이동 기록을 가지고 있었다. 이번 연구는 광자의 양자상태가 멀리 떨어져 있는 결정체로 순간이동 할 때 둘 사이에 직접적인 접촉 없이도 그대로 유지될 수 있다는 점을 보여주고 있다.

이처럼 양자 도약에 관한 연구는 우리가 생각했던 것과 달리 아주 옛날부터 시도 되었으며 성공하였다.

그리고 이러한 양자 도약은 고등과학원 계산과학부의 김 교수님의 말씀에 따르면 

"양자 원격 전송은 거리에 관계없이 정보를 순간이동시킬 수 있다. 양자 원격 전송은 직접 거리를 이동하는 게 아니라 측정되지 않은 상태의 양자 정보를 보내고자하는 위치에 똑같이 재현한다. 그래서 문자 그대로 0초, 사라지는 동시에 나타나는 순간이동이 가능하다. " (이 전송 기술이 정보통신에 적용된다면 로딩이 없는 시대가 도래할 것이다.)

 A 위치에 있는 양자비트 a와 B 위치에 있는 양자비트 b가 있다. A와 B는 양자얽힘 때문에 상태가 같다. A 위치에서 B 위치로 옮기려는 새로운 양자비트 x를 a와 양자얽힘이 되게 만들면, 연쇄적으로 양자얽힘 상태가 발생해 B 위치에 있던 원래의 양자비트 b대신 양자정보 x와 상태가 같은 양자비트 x'를 생성할 수 있다.

양자 얽힘, 불확실성 원리, 양자 얽힘 이 세 가지 특성을 모두 이용하였는데,  우선 양자중첩 현상을 이용해 양자정보를 만든다. 양자정보는 양자비트, 또는 큐비트라고도 한다. 이렇게 만든 양자비트는 속도와 위치 정보가 끝임없이 변하기 때문에 측정해도 의미가 없다. 따라서 측정하지 않은 상태의 완벽히 똑같은 상태를 순식간에 보내야한다. 이때 양자얽힘 현상이 발동한다.

각 연구소마다 양자 도약의 방법에 약간식 차이는 있겠지만 최종적으로 양자를 다른 공간에 그대로 제현에 성공한 것에 초점을 맞춰야한다.

그리고 이것을 좀 더 쉽게 그림으로 표현하자면.

입자에서 진동하는 동일한 파동으로 진동하면, 그 거리가 얼마든간에 항상 동일한 파동 상태를 유지한다.

이때 A(다운 쿼크) 에게 어떠한 변화가 생기면 멀리 떨어져있는 B (업 쿼크)에게 즉각적으로 전달된다. 이것을 양자적 얽힘 이라고 부른다.

쉽게 말해

A(업 쿼크) => B (다운 쿼크)

A 의 정보를 B에게 완전히 전송한다.

C(업 쿼크) <=> B (다운 쿼크) 

처음부터 B 와 양자적으로 얽혀있는 C 가있다고 가정하자

A(업 쿼크) => C (다운 쿼크)

A 와 C가 접촉하여 A의 정보가 C에게 전달되면 서로 간의 양자적 얽힘 상태가 된다.

더 확실하게 말하자면

양자적 불확실성의 원리를 양자적으로 얽혀있는 광자 A와 B에서 광자 A를 직접 측정하지 않고 A와 B의 연결관계를 관측함으로써

양자적 교란을 피해갈 수 있다. 그것을 응용하기 위한 광자 C가 필요한 이유이다.

쉽게 말하자면 양자적 불확실성이 작용하여도 복사가 가능하다는 소리이다. 이는  IBM 찰스 베넷을 비롯한 연구원에의하여 수학적으로 증명되었다.

하지만 B <=> C는 처음부터 양자적 얽힘 관계에 있었기 때문에

A(업 쿼크)의 정보가 C(다운 쿼크)로 전달되면서 자연스럽게 C(다운 쿼크)는 B(업 쿼크)에게 정보를 전달하게 된다. 

이 원리를 통하여 A (업 쿼크) = B (업 쿼크), A와 B는 완전한 동일한 전자가 된다.

이런 식으로 A가 직접적으로 B로 이동하지 아니하고, B에게 정보(스핀,편광)만 전달하여 공간을 이동시키는 원리이다. 

이쯤 되서 또 말도 안되는 공상 과학영역이다, 이론적으로만 가능하다는 생각이들 것 같아서 성공 사례를 간단히 적었다.

1997년 독일 인스부르크 대학 연구팀, 자외선 광자를 양자적으로 공간 이동 성공

2004년 비엔나 대학 물리학자 광섬유 케이블로 광자를 600m 공간 이동 성공

2004년 미국 표준기술연구소(NIST) 베릴륨 원자, 칼슘원자를 전송

2006년 코펜하겐 닐스 - 보어 연구소,  수조 X 조 개로 이루워진 대규모 세슘원자 기체를 45m 떨어진 곳에 공간 이동 성공

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2018년 7600km 떨어진 베이징과 비엔나 사이에서 이미지 파일의 양자정보를 원격 전송 성공...

조만간 있으면 단순한 원자, 분자를 뛰어넘어 1028개의 원자로 구성된 DNA 나 바이러스도 공간이 가능할 것으로 전망된다..

이것을 마지막으로 2017년 우리나라 고등과학원 계산과학부에 교수님과 대기업 연구실장의 한 말씀으로 마무리를 짓겠다.

김 교수는 “사람의 모든 구성 요소를 양자화하면 1조의 수경 배에 이르는 양자비트가 발생하고, 이를 지금의 컴퓨터로 처리해 보내려면 수억 년이 걸릴 것”이라며 “하지만 가까운 미래에 아주 간단한 분자 정도의 정보는 원격으로 보낼 수 있게 되리라 기대한다”고 말했다. 

곽승환 SK텔레콤 융합기술원 양자테크연구실 랩장도 “양자비트를 제어해 슈퍼컴퓨터보다 1000배 이상 빠른 양자컴퓨터가 나온다 해도 사람을 순간이동시키는 것은 사실상 불가능하다”고 진단했다.

2019년 말을 뜨겁게 달군  50큐비트 양자컴퓨터 "시커모어" 기억하는가?

현존 최강 슈퍼컴퓨터 IBM 보다 시커모가 약 4320000 배 (432만배) 빠르다

ibm 측에서 2.5 일이라고 우기긴 하였지만 그건 ibm사가 독자적으로 개발한 아주 "특수한 알고리즘"을 적용했을 경우에만 가능한 것이다.

알고리즘 없이 단순 연산싸움에서는 시커모어가 현존 슈퍼컴퓨터보다 432만배 빠른 것이 맞다.

관대하게 ibm 특수 알고리즘을 수용하여 시커모어와 비교하여도, 시커모어가 ibm 슈퍼컴퓨터보다 약 1080배 빠르다.

50큐비트라도 완전히 제어만 할 수 있다면, 현 기준 슈퍼컴퓨터 보다 400만배이상의 성능을 낼 수 있으며 

앞으로도 양자컴퓨터의 양자규모는 더욱 더 커질 것이며, 안정성도 개선될 것이다.

최근에는 초저온 상태가 아닌 양자컴퓨터를 상온에서도 작동할 수 있게하는 시도가 계속된다.

http://scimonitors.com/%EC%83%81%EC%98%A8-%EC%96%91%EC%9E%90%ED%94%84%EB%A1%9C%EC%84%B8%EC%84%9C-%EA%B0%9C%EB%B0%9C-%EC%96%91%EC%9E%90-%EC%BB%B4%ED%93%A8%ED%84%B0-%EC%8B%A4%ED%97%98%EC%8B%A4-%EB%B2%97%EC%96%B4%EB%82%9C/

2017년 SK텔레콤 융합기술원 양자테크연구실 랩장

"양자비트를 제어해 슈퍼컴퓨터보다 1000배 이상 빠른 양자컴퓨터가 나온다 해도 사람을 순간이동시키는 것은 사실상 불가능하다"

2019년 말 양자컴퓨터 시커모어 등장

현존 최고 IBM 슈퍼컴퓨터로도 1만년 걸릴 계산, 단 3분 20초만에 완료 (약 432만배 빠름)

특수 알고리즘을 적용해준다고 하여도 (시커모어가 약 1080배 빠름)

당시 기준 불과 2년 전쯤만해도 슈퍼컴퓨터 보다 1000배 빠른 컴퓨터는 불가능하다고 여겨졌다. 

하지만 2019년에 슈퍼컴퓨터보다 수백만배 ~ 수억배 빠른 연산력을 가진 양자컴퓨터 개발에 시동이 걸리면서 미래는 쉽게 예측할 수 없는 시대가 도래했다.

즉,사람 순간이동시키는 것도 어쩌면 우리가 예상한 것보다 훨씬 더 가까운 미래에 가능할 수도 있다는 말이다.

우리는 자기 스스로가 기술을 잘 알고 체감하고 있다고 느끼지만 현실은 전문가 조차도 미래는 쉽게 예측할 수 없음을, 기술 발전속도를 제대로 체감할 수 없다는 것을 말해준다.

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최종적으로, 만약 동물의 뇌에서 양자연산 현상이 일어난다고 하여도 "양자 도약"의 원리를 통한 양자 정보 원격 전송이 가능하므로 

사람의 의식에서 양자연산이 이러난다고 하여도 "마인드 업로드" 기술이 좌절될 일은 극히 희박하다고 볼 수 있다.

만약 대다수 과학자들의 예측대로 사람의 뇌속에 양자연산이 이러나지 않는다는 것이 입증되면 마인드 업로드는 더욱 더 쉽게 실현 가능할 것이다.

즉 마인드 업로드는 뇌의 양자 연산 유무과 관계없이 실현될 확률이 매우 높고 물리적으로 불가능한 요소는 없다고 볼 수 있다.