콘텐츠로 이동

02 — 2시간 강의 진행표

총 120분 = 1부 54분 + 휴식 10분 + 2부 56분 진행 방식: 학생 실습 없이 전체 시연 준비물: 편광판 3장, 노트북

시간 배분은 «설명이 밀린다»를 전제로 짰습니다. 각 블록에서 1~2분씩 밀리는 게 정상이고, 마무리 블록에 2분 여유를 뒀습니다.

절대 건드리지 말 블록

시각 블록 이유
0:26 진폭과 간섭 (16분) 뒤에 나오는 모든 것이 여기에 의존
1:04 4자리 PIN + 반전 (14분) 강의의 지적 정점

1부 — 원리 (0:00 → 0:54)

0:00 (8분) · 물리 데모 — 편광판 3장

목적: 슬라이드 없이 시작. 이 8분이 강의 전체의 신뢰를 만듭니다.

  1. 편광판 두 장을 90°로 교차 → 빛이 완전히 차단됨. 여기까지는 학생들이 예상함
  2. 그 사이에 45° 편광판을 한 장 끼움 → 빛이 다시 통과함
  3. 여기서 멈추고 질문: "막는 걸 하나 더 넣었는데 왜 더 밝아졌을까요?"

핵심 대사 측정은 «있는 것을 읽는 행위»가 아닙니다. 측정이 상태를 바꿉니다. 45° 편광판은 빛을 «걸러낸» 게 아니라 다시 쓴 겁니다. 오늘 두 시간 동안 이 한 문장을 계산에 쓰는 법을 보겠습니다.

⚠️ 주의 — 편광판 품질에 따라 효과가 약할 수 있으니 강의 전날 조명 아래에서 시연 연습 필수. 예비로 데모 영상을 슬라이드에 넣어두세요.

준비물을 아예 안 쓰려면 — 같은 데모 영상만 재생하고 동일한 질문을 던지세요. 효과는 실물이 훨씬 크지만 흐름은 그대로 성립합니다.

0:08 (10분) · Quirk — 큐빗과 중첩

목적: 선형대수를 모르는 학생이 있다고 가정. 행렬은 칠판에 쓰지 않습니다.

  1. Quirk(algassert.com/quirk)에서 큐빗 하나에 H 게이트를 놓음
  2. 확률이 50/50이 되는 것, 그리고 H를 하나 더 놓으면 원래대로 돌아오는 것을 보여줌
  3. 동전 비유가 왜 틀리는지 지적: 동전은 두 번 흔들면 여전히 무작위인데, 큐빗은 되돌아옵니다

핵심 대사 중첩은 «모르는 상태»가 아닙니다. 모르는 거라면 두 번 섞어도 여전히 몰라야 합니다. 되돌아온다는 건 정보가 어딘가에 정확히 보존되어 있었다는 뜻입니다. 그 «어딘가»가 위상입니다.

0:18 (8분) · Quirk — 얽힘

  1. Quirk에서 H + CNOT으로 벨 상태를 만듦
  2. 두 큐빗 각각의 확률은 50/50인데 상관관계는 100% — 화면에서 짚어줌
  3. 「각각을 따로 서술할 수 없다」가 얽힘의 정의라고 선언. 텐서곱 분해 불가는 말로만

⚠️ 여기서 시간을 쓰지 마세요. 얽힘을 깊게 다루면 2시간이 무너집니다. 오늘 얽힘의 역할은 «다음 파트의 재료»뿐입니다. 벨 부등식·CHSH는 3시간 판에서만.

0:26 (16분) · 시뮬레이터 — 진폭과 간섭 ⭐ 엔진

목적: 가장 긴 블록. 시간이 밀리면 다른 데서 깎으세요.

  1. 시뮬레이터를 2⁴ = 16 조합으로 열고, 모든 막대가 같은 높이임을 확인
  2. 「오라클」만 누른다 → 정답 막대가 아래로 뒤집힘. 그리고 확률 표시가 그대로인 것을 크게 짚음
  3. 멈추고 질문: "확률이 안 변했는데, 뭐가 달라졌나요?" → 위상 개념 도입
  4. 「확산」을 누른다 → 막대가 3배로 튀어오름. 평균 반사의 산수를 한 줄로
  5. 회전 그림으로 내려간다 → 같은 동작이 2차원 회전임을 보여줌. «대칭 두 번 = 회전» 선언
  6. 자동 재생으로 최적점까지 → 확률 96%
  7. 최적점을 넘겨 계속 누른다 → 확률이 다시 떨어짐. √N과 과회전이 한 화면에서 설명됨

핵심 대사 — 이 강의에서 가장 중요한 두 문장 양자컴퓨터가 빠른 이유는 «모든 경우를 동시에 계산해서»가 아닙니다. 틀린 답의 진폭을 서로 상쇄시켜 지워버리기 때문입니다.

그리고 제곱근이 나오는 이유는 알고리즘이 영리해서가 아니라 — 확률이 진폭의 제곱이기 때문입니다.

시연 요령 — 클릭 하나마다 말을 멈추고 화면을 보게 하세요. 설명하면서 누르면 아무도 변화를 못 봅니다. «누른다 → 침묵 3초 → 설명» 리듬이 이 블록의 전부입니다. 정답 위치를 학생에게 숫자로 불러달라고 하면 실습 없이도 참여감이 생깁니다.

0:42 (6분) · 시뮬레이터 — 「구조 없음」 버튼

목적: 6분이지만 강의 전체에서 비용 대비 효과가 가장 큽니다.

  1. 두 번째 시뮬레이터(푸리에)로 이동. 주기적 입력 → 날카로운 봉우리가 생기는 걸 보여줌
  2. 「구조 없음」을 누른다 → 진폭 크기는 똑같은데 위상만 무작위. 봉우리가 사라짐
  3. 「진폭이 모인 상태 수」가 8에서 30대로 튀는 걸 짚음

핵심 대사 간섭이 답을 모아주려면 문제에 구조가 있어야 합니다. 구조가 없으면 아무 일도 일어나지 않습니다. 이 버튼 하나가 «양자컴퓨터는 만능이 아니다»의 전부입니다. 2부에서 이 장면이 계속 돌아옵니다.

0:48 (6분) · 1부 정리

  1. 한 장으로 정리: 중첩 → 위상 → 간섭 → 측정
  2. 오해 부수기: 「양자컴퓨터는 고전 컴퓨터를 대체한다」 → 아니고 가속기입니다. GPU와 같은 위상이며 문서 편집에는 아무 이득이 없음
  3. 2부 예고: «그럼 실제로 뭘 뚫을 수 있을까요? 다음 시간에 암호를 뚫어봅시다»

■ 휴식 10분 (0:54 → 1:04)

편광판은 교탁에 그대로 두세요 — 관심 있는 학생이 알아서 옵니다.

2부 — 현실 (1:04 → 2:00)

1:04 (14분) · 4자리 암호를 뚫어보자 — 그리고 반전 ⭐ 정점

목적: 앞 9분은 신나게, 뒤 5분은 무너뜨립니다.

  1. 0000–9999 = 10,000가지 → 2¹⁴ = 16,384 → 14큐빗
  2. 1부 그대로 적용: 중첩 → 오라클 → 확산 → 100회 반복 → 측정
  3. 진폭 변화 표: 초기 0.0078 → 1회 후 0.0234(정확히 3배) → 100회 후 1.0
  4. 진폭은 훔쳐온 것: 오답 16,383개에서 각각 3×10⁻⁸씩 걷어 모은 것. 장부가 정확히 맞음
  5. 성능: 고전 평균 5,000회 대 양자 100회 = 50배. 여기서 학생들이 신남
  6. 그리고 질문을 받는다: «오라클이 정답을 알아야 만들 수 있는 거 아닌가요?» — 안 나오면 직접 던짐
  7. 반전 시작: 오라클은 정답이 아니라 검증 함수입니다. 그리고 그걸 양자 회로로 만들 수 있어야 합니다

반전 대사 그런데 여러분 폰의 잠금화면은 중첩 상태로 넣을 수 없습니다. 현금인출기를 중첩에 넣을 방법이 없습니다. 오라클을 아예 만들 수가 없습니다.

그리고 해시를 쓴다면 SHA-256을 되돌릴 수 있는 양자 회로로 만들어야 하는데, 그것만으로 수만 큐빗입니다. 노트북이 마이크로초에 끝내는 일을 하려고요.

  1. 오해 부수기: 「NP-완전 문제를 푼다」 → Grover는 √N뿐. 2¹⁰⁰ → 2⁵⁰은 여전히 불가능
  2. 오해 부수기: 「모든 암호가 깨진다」 → AES-256은 안전, RSA·타원곡선만 위험

1:18 (7분) · 그럼 무엇이 되는가 — 검증 가능성이 열쇠

  1. 칠판에 한 줄: 검증 가능 → 오라클 제작 가능 → 양자 가속 가능
  2. 역도 성립: 검증 불가 → 오라클 없음 → 가속 없음
  3. 인수분해는 검증이 싸다(곱해보면 끝) → 그래서 Shor가 실용적 위협
  4. 그런데 양자 화학에는 검증할 함수가 없다 → 대입해 볼 f가 존재하지 않음. 가장 유망한 응용이 하필 검증이 가장 어려움

핵심 대사 양자컴퓨터는 «답을 아는 기계»가 아닙니다. 답을 확인하는 함수를 아주 많은 입력에 동시에 걸어보고, 간섭으로 구조를 읽어내는 기계입니다.

1:25 (18분) · 기계는 어떻게 다른가 — IonQ를 이해하기

목적: 수강생이 기업 뉴스를 읽을 수 있게 만드는 구간. 양자역학보다 공학이라 설명이 쉽고 학생들이 가장 재미있어 합니다.

  1. 먼저 오해를 부순다: 「큐빗 수가 많으면 좋다」 → 아닙니다. 충실도 낮은 1,000큐빗보다 충실도 높은 50큐빗이 유용할 수 있음
  2. 프레임 한 문장: 모든 방식은 «충실도·속도·확장성» 중 둘을 얻고 하나를 포기한다
  3. 비교표 제시 — 이온트랩 / 초전도 / 중성원자 (→ 04-hardware-industry.md)
  4. IonQ = 충실도·연결성을 얻고 속도를 버림 (게이트가 IBM보다 1000배 느림)
  5. IBM·Google = 속도·집적도를 얻고 충실도를 버림
  6. 이온트랩은 희석냉동기가 필요 없다 → 그런데 큐빗 수는 적다. 「왜일까요?」 → 레이저 개별 조준, 트랩 구조가 병목
  7. 벤치마크 지표의 정치학: IBM은 Quantum Volume, IonQ는 #AQ를 홍보. 「회사마다 자기가 이기는 지표를 씁니다」
  8. IonQ의 「2큐빗 충실도 99.99%」는 소규모 시제품 기준. 256큐빗 시스템이 그 충실도를 낸다는 뜻이 아님 — 수치의 조건을 읽는 훈련

⚠️ 강의 1주일 전 반드시 재확인 — 큐빗 수·충실도 숫자는 빠르게 낡습니다. 슬라이드에 «○○년 ○월 기준»을 박아두고, 그 습관 자체를 학생에게 보여주세요.

1:43 (7분) · 물리 큐빗과 논리 큐빗

목적: 이걸 건너뛰면 다음 블록의 모든 숫자가 무의미해집니다.

  1. 물리 큐빗 여러 개를 묶어 논리 큐빗 하나를 만든다
  2. 물리 오류율이 임계값 아래로 내려가면, 큐빗을 더 넣을수록 논리 오류율이 줄어든다
  3. 대가는 오버헤드 — 논리 1개당 물리 수 개에서 1,000개까지
  4. 2024년 Google Willow가 임계값 이하를 실험으로 처음 증명 → 이 분야의 분기점

핵심 대사 2020년까지 열려 있던 질문은 «오류정정이 물리적으로 가능한가»였습니다. 그 질문이 «가능하다»로 닫혔습니다. 이제 남은 질문은 «얼마나 비싼가»입니다. 이게 지난 몇 년의 가장 큰 변화입니다.

1:50 (10분) · 무엇을 기대하나 · 뉴스를 읽는 법

목적: 학생이 10년 뒤까지 쓸 도구를 주는 구간. 특정 사실보다 판별 기준이 오래 갑니다.

  1. 확신도 표: 화학·재료(높음) → 암호 붕괴(높지만 파괴적) → 최적화(낮음) → 양자 ML(낮음) → 미지
  2. 왜 화학만 1순위인가를 1부와 연결: 다른 응용은 구조를 «찾아야» 하는데, 화학은 문제 자체가 이미 양자. 「구조 없음」 버튼을 본 학생은 설명 없이 이해함
  3. 검증된 것 vs 약속된 것 두 칸을 시각적으로 다르게 제시
  4. 주장의 5개 층 표 — 논문 / 국가예산 / 벤처 / 기업 로드맵 / 시장보고서
  5. 닷컴 비유로 닫음: 인터넷은 진짜였고, 2000년 밸류에이션은 거품이었다. 둘 다 참이다

마지막 대사 물리는 진짜입니다. 진전도 진짜입니다. 시점은 아무도 모릅니다. 그리고 그 셋을 섞어서 말하는 사람을 경계하세요.

남는 시간은 질문에 — 이 블록을 8분에 끝내고 2분을 질문에 쓰는 게 10분 꽉 채우는 것보다 낫습니다.

잘라낸 것

내용 비용 판단
Qiskit / Colab 실습 40분+ 제외 (방침). 학생 실습을 하지 않으므로 후보가 아님. 시뮬레이터 시연이 대신함
CHSH 게임 (교실 활동) 15분 제외 (방침). 참여형 활동. 시연으로 하려면 «고전 75% vs 양자 85.4%» 결과만 슬라이드로 — 3분
Shor 알고리즘 상세 15분 제외. 「주기를 찾으면 인수분해가 된다」 한 줄로만
양자 디버깅 · 소프트웨어 스택 15분 제외. 개발자 세션에는 필수지만 학부 입문에는 과함
QKD · 양자 난수 10분 제외. 질문 나오면 «계산이 아니라 물리로 지키는 방식» 한 줄로
PQC 전환 실무 10분 마무리에서 한 줄로만: 「표준 이미 나왔고 전환 중」

밀릴 때 자를 순서 (총 16분 확보 가능)

  1. 얽힘 블록 8분 → 4분 (벨 상태만 보여주고 넘어감)
  2. 1부 정리 6분 → 3분
  3. 물리/논리 큐빗 7분 → 4분 (임계값 개념만)
  4. 하드웨어 18분 → 12분 (벤치마크 지표 논의를 먼저 생략, 비교표는 유지)

사전 준비 체크리스트

  • 편광판 3장 — 1~2만원. 강의 전날 조명 아래 시연 연습 필수
  • 데모 실패 대비 영상 — 편광판이 안 먹을 때용
  • Quirk 북마크 — 회로 미리 만들어 URL로 저장 (URL에 상태가 들어감)
  • 시뮬레이터 탭 미리 열어두기 — 두 개를 각각 다른 탭에
  • 하드웨어 숫자 재확인 — 1주일 전, 각 사 로드맵 + Quantum Computing Report
  • 모든 슬라이드에 기준 시점 표기 — «2026년 ○월 기준»
  • 오프라인 백업 — 강의실 인터넷이 죽는 경우. 스크린샷 세트
  • 질문 3개 준비 — 학생이 안 물을 때 직접 던질 것

3시간이 되면 · 2회차가 있으면

실습 없는 구성을 유지하면서 넣을 수 있는 것들.

추가 시간 넣을 것
+15분 Shor 주기 찾기 시연. 시뮬레이터 2번에서 주기 r을 슬라이더로 바꾸며 봉우리 간격이 N/r로 움직이는 걸 보여줌. r=5, 7, 11에서 번지는 것 → 고전 후처리가 왜 필요한지까지
+10분 암호의 계층 분리. 양자 난수 · 대칭키 · 키 교환 · QKD가 각각 다른 층이라는 표
+10분 PQC 전환 현황. 2024년 격자 암호 공격 주장이 며칠 만에 철회된 사건
2회차 전체 소프트웨어 스택과 양자 디버깅. 공학·전산 전공생에게 특히 잘 통함