[책새벽-월. 발췌] 인포메이션 13장.정보는 물리적이다.
모임 정리
책새벽
작성자
neomay33
작성일
2022-12-25 14:08
조회
1084
[책새벽-월. 발췌] 인포메이션. 제13장. 정보는 물리적이다
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<인포메이션> 제임스 글릭. 박래선, 김태훈 옮김. 2017. 동아시아. 제10장. pp.481-504.
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녹색아카데미에서는 매주 월요일 아침 6-7시에 온라인 책읽기 모임 '책새벽'을 합니다. 현재는 제임스 글릭의 <인포메이션>을 읽고 있습니다. 모임에서 읽은 내용 중 핵심적이라고 생각하는 부분을 챕터별로 발췌해서 옮기고 있습니다. 질문이나 토론거리, 함께 보면 좋을 자료들이 있으시면 부담없이 공유해주세요.
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『인포메이션』 목차
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프롤로그
제1장 말하는 북 ―코드가 아닌 코드
제2장 말의 지속성 ―마음에는 사전이 없다
제3장 두 개의 단어집 ―글의 불확실성, 철자의 비일관성
제4장 생각의 힘을 기어 장치에 ―보라, 황홀경에 빠진 산술가를!
제5장 지구의 신경계 ―몇 가닥 초라한 전선에서 무엇을 기대할 수 있겠는가?
제6장 새로운 전선, 새로운 논리 ―다른 어떤 것도 이보다 미지에 싸인 것은 없다
제7장 정보이론 ―내가 추구하는 것은 평범한 두뇌일 뿐입니다
제8장 정보로의 전환 ―지성을 구축하는 기본 요소
제9장 엔트로피와 그 도깨비들 ―섞인 것을 휘저어 나눌 수 없어요
제10장 생명의 고유 코드 ―유기체의 완전한 설명서는 이미 알에 적혀 있습니다
제11장 밈 풀 속으로 ―당신은 나의 두뇌를 감염시킨다
제12장 무작위성의 감각 ―죄악의 상태에 빠져
제13장 정보는 물리적이다 ―비트에서 존재로
제14장 홍수 이후 ―바벨의 거대한 앨범
제15장 매일 새로운 뉴스 ―그리고 비슷한 뉴스
에필로그 ―의미의 귀환
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제13장. 정보는 물리적이다 : 비트에서 존재로
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p.483. 양자역학은 짧은 역사에도 다른 어떤 학문보다 많은 위기와 논쟁, 해석, 학파의 분열과 전면적인 철학적 고통을 겪었다. ... "어쩌다가 이런 일이 벌어졌을까?" ... 양자이론가 크리스토퍼 푹스(Christopher Fuchs. 푹스에 대한 퀀컴 메거진의 기사. 2015. 6. 4.)의 질문이었다.
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p.483-484. 푹스는 새롭게 출발할 때가 되었다고 말한다. 정교하고 수학적인 기존의 양자 공리들을 버리고 심오한 물리적 원칙으로 돌아가야 한다 ... 그렇다면 이 물리적 원칙들을 어디서 찾아야 할까? 푹스의 대답은 바로 양자 '정보'이론이다. ... "... 양자역학은 언제나 정보에 대한 것이었다. 단지 물리학계가 이 사실을 잊었을 뿐이다."
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p.484-485. 양자역학이 정보에 대한 것임을 잊지 않은 사람은 ... 존 아치볼드 휠러(John ARchibald Wheeler. 1911-2008)였다. ... 휠러는 이렇게 말했다. ... 모든 존재, 모든 입자와 모든 힘의 장, 심지어 시공간 연속체 그 자체가 '비트'로부터 그 기능, 의미, 존재 자체를 얻는다."
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자연은 왜 양자화된 것처럼 보일까? 정보가 양자화되어 있기 때문이다. 비트는 쪼갤 수 없는 궁극의 입자이다.
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p.485. 정보를 전면으로 내세운 물리 현상 가운데 블랙홀보다 장대한 것은 없었다. 물론 처음에는 정보와 전혀 관련이 없는 것처럼 보였다. 블랙홀은 아인슈타인의 머리에서 나온 것이지만, 그는 블랙홀을 알기 전에 죽고 말았다.
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(블랙홀의) 중심에는 특이점이 있다. 밀도와 중력은 무한대가 되며, 시공간은 무한하게 휘어진다. 시간과 공간은 서로 교체된다. 그 어떤 빛도 그 어떤 신호도 내부에서 탈출할 수 없기 때문에 이러한 사태는 철저하게 비가시적이다. 1967년 휠러는 이를 "블랙홀"이라고 불렀다.
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p.486. 처음에(는) ... 물질과 에너지에 초점을 맞췄다. 나중에는 정보에 대해 고심하기 시작 ... 1974년 스티븐 호킹(Stephen Hawking. 1942-2018)이 양자 효과를 일반상대성이론의 일반적인 계산에 더하면서 블랙홀은 결국 사건의 지평선 근처에서 일어나는 양자 요동의 결과로 입자를 방출해야 한다고 주장하자 문제가 발행. ... 블랙홀이 천천히 증발한다는 얘기 ...
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호킹 복사는 열복사, 즉 열이다. ... 블랙홀 '안으로' 빨려 들어가는 물질은 정보를, 그 구조와 조직, 양자 상태를 갖는다. ... 하지만 방출되는 호킹 복사는 아무 정보도 담지 않는다. 그렇다면 블랙홀이 증발할 때 정보는 어디로 갈까?
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p.488-489. 찰스 베넷(Charles Bennett. 1943-)은 아주 다른 길을 걸어 양자 정보이론에 이르렀다. ... 오래전부터 '연산의 열역학'에 대해 생각했던 터였다. ... 1980년대 초 베넷은 튜링기계의 테이프를 연료로, 그 열량을 비트로 측정하는 문제에 대해 이야기했다. ... 논리적 일의 물리적 비용은 무엇일까?
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어느 순간 베넷은 특수 목적용 튜링기계가 이미 자연에 있다는 사실을 깨달았다. 바로 RNA 중합효소였다. 왓슨(James Watson)에게 직접 중합효소에 대해 배운 터였다. 중합효소는 유전자, 말하자면 '테이프'를 따라 DNA를 전사하는 효소이다.
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p.491. 베넷은 튜링기계와 전령 RNA에서부터 당구공처럼 생긴 것을 통해 신호를 전달하는 '탄도' 컴퓨터에 이르기까지, 생각할 수 있는 실제적이고 관념적인 모든 종류의 컴퓨터를 분석하면서 란다우어(Rolf Randauer. 1927-1999. 오직 비가역적 연산만이 엔트로피를 증가시킨다)의 법칙을 검증했다.
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베넷은 모든 사례에서 정보가 '삭제'될 때만 열 소산이 발생한다는 사실을 발견했다. 삭제는 비가역적인 논리 연산이었다. ... 실라르드(Szilárd Leó. 1898-1964)의 사고실험에서 도깨비가 분자를 관찰하거나 선택할 때 엔트로피 비용은 발생하지 않는다. 엔트로피 비용은 도깨비가 다음 관찰값을 위해 한 관찰값을 지울 때(만) ... 발생한다.
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p.494. 큐비트(qubit)는 ... 최소 양자계이다. 큐비트는 고전적 비트처럼 0 혹은 1이라는 두 가지 가능한 값, 다시 말해서 확실하게 구분할 수 있는 두 가지 상태를 지닌다.*
*양자비트(qubit, quantum bit)의 가장 중요한 특성이 바로 두 개의 값을 갖지 않는다는 점에 있습니다. 즉 점유가 아닙니다. 단지 확률로서 0과 1 사이의 값을 갖는다는 것뿐 아니라 하나의 양자비트(큐비트)가 여러 상황의 겹침(중첩)을 나타낼 수 있습니다. 양자비트는 두 개의 '값'이 아니라 두 개의 '상태'로 규정되는 정보입니다. (자연사랑님께서 이 부분이 잘못 되어 있다고 지적해주셔서 그 내용을 본문에 옮겨 왔습니다. 더 자세한 내용은 이 글 아래 자연사랑님의 댓글을 참조해주세요.)
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p.494-495. 물리학자들은 이런 양자 상태들을 기하학적인 방식으로 생각한다. 다시 말해 공간 속에서의 방향들, 그리고 이 방향들이 수직인지 혹은 '직교하는지'에 따라 달라지는 계의 구별 가능성으로 생각하는 것이다. ... 물리학자는 큐비트가 상태들이 '중첩', 즉 확률 진폭의 조합이라고 말한다. 큐비트는 불확정성의 구름 내부에 살고 있는 결정적인 대상이다.
[그림] 블로흐 구면(Bloch sphere). 양자역학에서 순수한 상태의 두 상태 계(2-level quantum system)를 기하학적으로 나타낸 것. 물리학자 펠릭스 블로흐의 이름을 따서 명명되었다.(출처 : 위키백과)
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p.496. 얽힘은 중첩 원리를 취하며 공간을 가로질러 서로 멀리 떨어진 한 쌍의 큐비트로 중첩원리를 확장한다. ... (얽힘을) 발명한 사람은 바로 아인슈타인이었다. 하지만 얽힘을 명명한 사람은 아인슈타인이 아니라 슈뢰딩거였다. 아인슈타인은 1935년 당시 양자역학에 존재하는 결함이라고 생각했던 것들을 밝히려는 사고실험을 했고 이 사고실험을 위해 얽힘을 발명했다.*
*"물리적 실재에 대한 양자역학적 기술은 완전한 것으로 볼 수 있는가?"("Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete". A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen. 1935. Institute for Advanced Study, Princeton, New Jersey. Vol.47.)
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p.496-497. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 광자들이 멀리 떨어져 있는 상황에서 둘 중 하나를 측정하면 어떤 일이 생기는지 연구했다. ... 측정이 빛보다 빠르게 달려가 영향력을 행사한다는 것 ... 이는 역설로 보였고, ... "B에 실제로 존재하는 것이 뭐가 됐든 간에 공간 A에서 실행하는 측정에 좌우되어서는 안 된다." ... 아인슈타인은 얽힘에 '도깨비 같은 원격작용'이라는 인상적인 이름을 붙였다.
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p.498. 먼 거리에서 이뤄지는 도깨비 같은 작용의 수수께끼는 전혀 풀리지 않았다. '비국소성'(Nonlocality)이 모두 EPR 사고실험을 잇는 여러 독창적인 실험에서 증명됐다. 얽힘은 실재할 뿐만 아니라 도처에 있는 것으로 드러났다.
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p.499-500. 양자컴퓨터라는 개념은 기이하다. ... 파인먼(Richard P. Feynman. 1918-1988)은 연산, 즉 컴퓨터로 양자물리를 모사하는 일의 문제가 무엇인지 너무 잘 알았다. 바로 확률이었다. 모든 양자 변수에는 확률이 개입 ... 이 점은 연산의 어려움을 기하급수적으로 키웠다.
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p.500. 파인먼은 맞불작전을 제안 ... "확률적 자연계를 모사하는 다른 방법은 여전히 그 자체가 확률적인 컴퓨터 C로 확률적 자연계를 모사하는 것..."
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p.500-501. 양자컴퓨팅에서는 복수의 큐비트들이 서로 얽힌다. ... 비트가 이것 아니면 저것인 고전적 컴퓨팅에서 비트는 2n 값 중 하나를 인코딩할 수 있다. 반면 큐비트는 모든 가능한 중첩과 함께 이 불값(Boolean value)들을 인코딩할 수 있다. ... 병렬처리의 가능성이 양자컴퓨터에 생기는 것 ...
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p.504. 양자 정보 과학에 대한 의제, 차세대 물리학자와 컴퓨터공학자들 모두가 해야 할 일 목록을 남긴 사람은 존 휠러였다. 휠러는 후학들에게 이렇게 당부했다.
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"끈이론과 아인슈타인의 기하동역학의 양자적 버전을 연속체의 언어에서 비트의 언어로 번역하십시오. ... 의미를 확립하는 기본 단위로서 '비트'라는 용어에 대한 깔끔하고 명확한 정의가 없는 것을 개탄하지 말고 축하하십시오. ... 대단히 큰 수의 비트들을 조합하여 우리가 존재라고 부르는 것을 얻는 방법을 배운다면 비트와 존재의 의미를 더 잘 알 수 있을 것입니다."
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남은 과제는 바로 의미의 확립이었다. 이는 비단 과학자들에게만 해당하는 것은 아니었다.
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(제13장 끝.)
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neomay33 | 2024.01.14 | 1 | 374 |
와.... 이 보석같은 책을 승미쌤의 발췌 아니었다면 읽었다해도 눈구경만 하고 만 것일 수 있었는데 발췌읽으면서 공부가 되는 이 기쁨, 이 즐거움, 어찌 누릴 수 있었을까~~!! 너무 감사합니다.
오늘 내용중에 <정보는 물리다>와 < 정보가 삭제 될 때만 (비가역적 일때만) 엔트로피가 생긴다> 두 가지가 남아요. 제의식에 알듯 모를듯 양자상태로요. ㅋㅋㅋ 양자컴퓨터가 이래서 나왔구나 ..어렴풋이 짐작해보고.
암튼, 감사합니다~~~복 많이 받으세요♥♥♥
감사합니다! 『인포메이션』은 그야말로 정보의 역사 책이네요. 읽기 전에는 그냥 막연하게 '정보'(?!) 책이려니 했는데 말이죠.
저는 오늘 위키피디아에 대한 부분이 기억에 남네요. 매일 찾는 곳인데 관계자들과 편집자들의 고충이 크고도 복잡하고 끝이 없겠구나 싶었습니다. ^^;;
훌륭한 발췌에 항상 감탄하고 감명받고 있습니다. 고맙습니다.
혹시나 조금 도움이 될까 싶어서 책에 있는 오류를 언급하고자 합니다.
한국어판 494쪽 "큐비트는 고전적 비트처럼 0 혹은 1이라는 두 가지 가능한 값, 다시 말해서 확실하게 구분할 수 있는 두 가지 상태를 지닌다."는 잘못된 문장입니다. 번역이 틀린 게 아니라 원문이 틀려 있습니다. 원문은 다음과 같습니다.
"The qubit is the smallest nontrivial quantum system. Like a classical bit, a qubit has two possible values, zero or one—which is to say, two states that can be reliably distinguished. In a classical system, all states are distinguishable in principle. (If you cannot tell one color from another, you merely have an imperfect measuring device.) But in a quantum system, imperfect distinguishability is everywhere, thanks to Heisenberg’s uncertainty principle. When you measure any property of a quantum object, you thereby lose the ability to measure a complementary property. You can discover a particle’s momentum or its position but not both. Other complementary properties include directions of spin and, as in Aunt Martha’s coffin, polarization. Physicists think of these quantum states in a geometrical way—the states of a system corresponding to directions in space (a space of many possible dimensions), and their distinguishability depending on whether those directions are perpendicular (or “orthogonal”)."
큐비트는 두 개의 값을 갖지 않습니다. 이는 장회익 선생님께서 대담에서 줄곧 강조하신 점과 직접 연결되기도 합니다. (장회익의 자연철학이야기 5-3. 양자역학의 ‘상태’와 ‘측정’에 대하여 : ‘성향’과 ‘변별체’ 이해하기) 일상의 언어에서는 있거나 없거나 둘 중 하나로서 이를 숫자로 나타내면 1과 0이 됩니다. 바로 비트(bit)이죠. 이것이 '점유'의 개념과 맞닿아 있습니다.
양자비트(qubit, quantum bit)의 가장 중요한 특성이 바로 두 개의 값을 갖지 않는다는 점에 있습니다. 즉 점유가 아닙니다. 단지 확률로서 0과 1 사이의 값을 갖는다는 것뿐 아니라 하나의 양자비트(큐비트)가 여러 상황의 겹침(중첩)을 나타낼 수 있습니다. 양자비트는 두 개의 '값'이 아니라 두 개의 '상태'로 규정되는 정보입니다. 위에 인용된 문장은 모두 부적합하거나 과도한 설명입니다. 단지 논쟁이 될 수 있는 내용이 아니라 양자정보나 양자계산이나 양자역학의 연구자 관점에서 보면 틀린 설명입니다.
블로흐 구면을 가져와서 이해가 더 선명하게 되었습니다. 펠릭스 블로흐는 <장회익의 자연철학 강의> 205쪽에 인용되어 있는 물리학자이기도 합니다. 한국어 위키백과에 오류가 있습니다. two-level quantum system에서 level은 '단계'가 아니라 '에너지 준위'(더 간단히 '준위')를 가리키는데, 더 엄밀하게 하면 굳이 에너지이어야 하는 것은 아니라서 표준적으로는 '두 상태 계'라고 부릅니다. '두 준위 계'라는 표현을 쓰는 경우도 없지는 않은 듯 합니다.
큐비트는 바로 이 '두 상태 계'의 다른 이름입니다. 그래서 큐비트는 '두 개의 값'을 갖는 게 아니라 '두 개의 상태'로 서술되는 정보입니다. 두 상태는 구면 위의 아무 축이나 선택했을 때 대척점(antipodal point) 다시 말해 정확히 반대 쪽에 있는 가장 먼 두 점으로 표현됩니다. 이 축을 아무렇게나 선택할 수 있기 때문에 '두 개의 값'이 있다고 말할 수 없습니다.
양자비트(큐비트)는 소위 위치와 운동량의 불확정성 원리와도 사실상 무관하고 더더욱 '상보적 성질(complimentary property)'에 대한 것도 아니라서, 위에 인용한 부분은 모두 잘못된 서술입니다. 문학을 전공한 기자 출신의 작가 제임스 글릭으로서는 어쩔 수 없는 면도 있지만, 정보에 대한 온갖 이야기를 가져오다 보니 양자정보에 대한 잘못된 이야기도 섞이게 되었습니다.
nonlocality의 표준용어는 '비국지성'이 아니라 '비국소성'입니다.
고맙습니다!! 말씀해주신 부분은 빨간색으로 표시해두었습니다. 보시는 분들께서도 참고해주세요.
원문까지 찾아봐주셔서 감사합니다. 좀 이상하기는 했는데 찾아보거나 여쭤볼 생각은 못 했네요. 그런데 저 블로흐 구면은 사실 아직 잘 이해를 못 하고 있습니다. 이 챕터가 거의 다 그렇지만요. ^^;