프로그래밍 유니버스

우주를 프로그래밍하다 만일 누군가 당신에게 우주가 사실은 컴퓨터이며 지구의 생명체를 비롯한 여러 현상들은 모두 그 계산의 결과라고 말한다면 당신은 어떤 반응을 하겠는가? 아마 좋게는 그 사람을 상상력이 풍부한 재밌는 사람으로 여길 것이고, 나쁘게는 과대망상에 사로잡힌 정신병자로 여기고 그 말을 무시할 것이다. 그런데 그 사람이 노벨상 후보로까지 여겨지는 석학이라면? 그때는 좀더 그 얘기를 자세히 들어볼 필요가 있을 것이다. 양자 컴퓨터 분야의 세계적인 학자 세스 로이드는 이 책 『프로그래밍 유니버스』에서 우주가 계산을 하고 있다는 주장을 펼치고 있다. 그는 빅뱅으로부터 시작된 우주의 역사를 거대한 정보처리 과정으로 설명하면서, 계산우주라는 새로운 패러다임을 우리에게 소개한다. 이런 새로운 관점은 아직 물리학이 해결하지 못한 복잡성의 기원이라는 수수께끼를 설명하며, 자연을 좀더 깊게 이해할 수 있게 한다. 저자의 명쾌한 설명을 따라가다보면 우주의 모든 현상을 정보처리 과정으로 보는 것이 터무니없지 않으며, 오히려 자연에 대한 깊은 통찰을 준다는 것을 알게 된다. 우주는 왜 복잡하나? 계산하는 우주라는 관점이 바로 가져다주는 통찰은 복잡성 문제의 해결이다. 물리법칙은 더없이 단순한데 우리가 사는 세상은 왜 이렇게 복잡한가? 세스 로이드는 원숭이의 비유를 들어서 설명한다. 우주를 단순한 기계로 보는 관점에서, 이 원숭이들은 타이프를 치고 있다. 원숭이들은 완전히 무작위로 타자기를 두드릴 테지만, 그래도 언젠가는 세상에 있는 모든 책을 만들어낼 수 있다. 예를 들어 우연히 처음 h를 치고, 그 다음 우연히 a, 그리고 m, l, e, t…… 이런 식으로 『햄릿Hamlet』의 모든 구절을 작성할 수 있다. 우주가 무한한 시간 동안 흘러간다면, 이 원숭이들은 분명 가능한 모든 패턴을 만들어낼 수 있다. 그러나 현재의 우주는 고작 140억 년 전에 탄생했으며 넓이도 유한하다. 우연으로 지금의 세계가 만들어질 확률은 거의 영에 가깝다. 반면 계산우주 패러다임에서 이 원숭이들은 컴퓨터를 두드린다. 여기서도 원숭이들은 무작위로 컴퓨터를 두드리지만 입력한 내용은 명령어로 인식되며, 컴퓨터는 그 명령을 수행한다. 대다수의 명령어는 실행되지도 않는 엉터리 조합이겠지만 유의미한 결과를 내는 짧은 프로그램이 만들어질 가능성이 있다. 게다가 유의미한 명령어들은 그대로 남아 다음번에 다시 실행될 수 있다. 계산우주에서 우주와 물리법칙은 컴퓨터이고, 무작위하게 발생하는 양자요동이 원숭이이다. 양자요동이 우주에 무작위하게 새로운 정보를 주입하면 물리법칙은 이를 실행한다. 대다수의 양자요동은 속절없이 사라지지만 어떤 양자요동은 질서 있는 결과를 만들어낸다. 초기 우주에서 물질을 뭉친 양자요동이 그런 종류의 것이다. 그리고 그런 결과들은 축적되어 지금과 같이 복잡한 우주를 만들어냈다. (그림 15) 불가사의한 양자 컴퓨터 세스 로이드는 우주가 기존의 고전 컴퓨터가 아니라 양자 컴퓨터라고 말한다. 어째서 우주는 양자 컴퓨터인가? 사실 우주가 고전 컴퓨터일 수도 있다. 하지만 고전 컴퓨터의 계산 능력으로 지금의 우주를 형성하려면 그 컴퓨터는 우주보다 훨씬 커야 한다. 기존의 컴퓨터로는 수백 개의 원자로 이루어진 아주 작은 부분을 아주 짧은 시간 동안만 나타내는 데도 우주 전체에 있는 원자 개수보다 더 많은 메모리 공간이 필요하고 우주의 나이보다 더 많은 시간이 걸린다. 고전 컴퓨터는 0 아니면 1의 비트로 구성된 명령어를 따르기 때문에 한 번에 한 가지 계산밖에 할 수 없다. 그렇기 때문에 계산해야 할 구성요소가 늘어나면 제대로 대응하지 못한다. 하지만 양자 컴퓨터는 다르다. 저자는 이 분야의 대가답게 이 책에서 양자 컴퓨터의 작동 방식과 그로 인한 강력한 계산 성능을 생생하게 보여준다. 양자 컴퓨터는 동시에 여러 곳에 있을 수 있는 양자의 특성을 이용해 모든 계산을 동시에 수행한다. 양자비트, 즉 큐빗은 1과 0을 동시에 저장한다. 큐빗의 수가 늘어날수록 동시에 저장하는 상태의 수는 지수함수적으로 늘어나고 그에 따라 동시에 수행할 수 있는 계산의 수도 늘어난다. 양자역학의 이런 불가사의한 중첩 특성 덕분에 양자 컴퓨터는 물리계를 정확하게 시뮬레이션할 수 있다. 또한 우주의 모든 입자와 동일한 수의 큐빗을 가지고 있는 양자 컴퓨터는 우주를 정확히 시뮬레이션할 수 있다. 우주 컴퓨터 우주의 모든 소립자들은 각각의 위치, 속도, 스핀, 떨림 같은 정보를 담고 있다. 소립자들은 서로 충돌하면서 그 정보를 변환한다. 이것이 바로 우주의 계산이다. 하지만 이것을 정말 계산이라 할 수 있을까? 그냥 단순한 충돌에 불과한 것이 아닌가? 답은 양자 컴퓨터에 있다. 양자 컴퓨터는 정확히 이와 같은 식으로 정보를 처리한다. 또한 우주 크기의 양자 컴퓨터는 우주를 완벽하게 시뮬레이션 할 수 있으며, 이는 실제 우주와 전혀 구별할 수 없다. 우주가 우주만 한 크기의 양자 컴퓨터이고 우리는 그 계산이라고 해도 논리적?물리적으로 아무런 문제가 없다. 저자의 말을 따르자면 ‘만일 오리처럼 걷고, 오리처럼 꽥꽥 소리를 낸다면, 그것은 오리’이듯이 ‘우주와 양자 컴퓨터를 관측상 구별하는 것이 불가능하기 때문에 우주는 양자 컴퓨터’다. 지금까지의 과학은 우주를 ‘기계’라고 보는 관점을 채택했다. 그렇지만 세스 로이드는 한걸음 나아가 우주를 ‘정보를 처리하는 기계’라고 볼 것을 주장한다. 정보처리의 진화는 계속된다 빅뱅부터 시작된 우주의 역사는 정보처리의 역사다. 소립자들이 원자로, 원자는 분자로, 분자는 생명체로 프로그램되었다. 생명체는 수십억 개의 전략들을 시도해본 후 마침내 성(性)을 발견했다. 성은 유전자 정보처리의 속도를 높이기 때문에 새로운 진화 전략과 알고리듬을 탐색하는 속도를 대단히 높인다. 성이 발견되고 수억 년 후, 생명체는 정보를 얻고 처리하는 온갖 종류의 방법으로 진화했다. 눈, 귀, 그리고 뇌는 그중의 일부이다. 생명체 중 한 종은 정보를 공유해서 처리할 수 있는 언어를 진화시켰다. 오늘날 우리는 컴퓨터를 만들어 정보 처리 속도를 한층 올리고 있다. 세상은 어째서 점점 복잡해지는가? 앞서 발명된 기술을 이용할 수 있기 때문이다. 이것은 우리 문명에서 참이듯이 자연에서도 참이다. 우주의 모든 정보처리 기술은 이전의 기술을 기반으로 더 복잡하게 발전했다. 오늘날 우리 눈에 보이는 모든 복잡한 것들-별, 식물, 동물, 인간, 사회, 자동차, 컴퓨터 그래픽, 책-은 그 산물이다. 원자들의 충돌에서 인간의 생각, 천체의 운동에 이르는 모든 것들이 우주의 계산에 참여한다. 그러므로 우리가 하는 모든 행동은 실제로 우주의 미래를 바꿀 수 있고, 그리고 그렇게 하고 있다. (그림1)