[1일 1로그 100일 완성 IT 지식] 아날로그와 디지털의 차이

해당 글 <아날로그와 디지털의 차이>에서 요약된 목차 

 

1일 1로그 100일 완성 IT 지식

1부- 하드웨어 

 007. 연속과 불연속 

 008. 아날로그 정보를 디지털로 바꾸기

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연속과 불연속 

세상의 모든 정보는 아날로그 또는 디지털 신호로 전달된다. 아날로그는 '유사하다'는 뜻의 'analogous'와 어원이 같고, 연속적이라는 의미가 있다. 아날로그 신호는 시간에 따른 물리량의 변화를 연속적으로 표현하며 각 값 사이에 무수한 주변값을 가지고 있다. 주변값이란 예를 들어 0과 1 사이에 0.3, 0.5로 나타나는 값들이며 0에서부터 1까지의 변화를 그려보면 곡선의 형태가 나타난다. 자연상에 존재하는 소리, 빛, 온도 등의 진폭이나 주파수가 아날로그 신호에 해당한다. 

 

반면 디지털 신호는 불연속적인 값을 다룬다. 어떤 것의 변화가 연속적으로 일어나지 않으며 각 값 사이에 주변값이 없다. 0에 비슷한 값은 0으로, 1에 비슷한 값은 1로 처리해 0 또는 1로 표현한다. 

 

디지털은 0 또는 1로 이루어져 있어 저장하거나 전송하기 용이하며 암호화, 압축, 복사가 가능하다는 점이 있다. 숫자 값으로 변환될 수 있는 정보라면 어떤 것이든 나타낼 수 있고 컴퓨터로 처리될 수 있는 디지털은 현대 최신 기술에 쓰이고 있다.

아날로그 정보를 디지털로 바꾸기 

아날로그 정보를 디지털 형태로 변환하는 방법을 이해하려면 기본적인 예를 살펴볼 필요가 있다. 

 

사진 

 

디지털카메라는 렌즈가 적색, 녹색, 청색 필터 뒤에 놓인 미세한 광검출 소자의 직사각형 배열에 영상의 초점을 맞춘다. 각 검출 소자는 소자에 들어오는 빛의 양에 비례하는 양으로 전하(전자기장 내에서 전기현상을 일으키는 주체적인 원인)를 저장한다. 저장된 전하는 수치로 변환된다.

 

사진의 디지털 표현은 이렇게 계산되어 빛의 강도를 나타내는 수를 배열한 것이다. 검출 소자가 더 많고 전하가 더 정밀하게 측정될수록 디지털화된 영상은 피사체 원형을 더 정확하게 담아낸다. 센서 배열의 각 요소는 적색, 녹색, 청색 빛의 양을 측정하는 세 개의 검출 소자로 구성된다. 각 요소는 화소 picture element라는 뜻에서 픽셀 pixel이라고 한다. 

 

디스플레이 화면은 미세한 적색, 녹색, 청색 빛 요소가 모여 구성된 배열에 영상을 표시하며, 각 요소는 픽셀에서 해당하는 수준에 따라 밝기 수준이 정해진다. 

 

디지털 사진은 압축할 수 있으며 가장 널리 쓰이는 압축 기술은 JPEG다. 

 

음향 

 

시간에 따른 음압의 변화를 측정한 값을 모아 두면 곡선의 값에 가까운 일련의 수치가 된다. 더 자주, 더 정밀하게 측정할수록 근사치는 더욱 정확해진다. 이 수치는 파형의 디지털 표현이며 저장, 복사, 조작이 가능하고 다른 곳으로 전송될 수 있다. 

 

파형을 일련의 수치로 변환하는 과정이 아날로그에서 디지털로의 변환 과정이며 변환을 수행하는 장치를 A/D(Analog / Digital) 변환기라고 한다. 디지털에서 아날로그로의 변환은 D/A 변환이다. 변환은 완벽하지 않고 일부 정보를 잃게 된다. 

 

소리와 영상은 사람이 인지할 수 있는 것보다 더 많은 세부 정보를 담고 있기 때문에 압축할 수 있다. 음악은 MP3(MPEG Audio Layer)나 AAC(Advanced Audio Coding)와 같은 압축 기술을 사용하여 압축된다. 두 기술은 사람이 감지할 만한 음질 저하를 거의 발생시키지 않으면서 원본의 10분의 1 정도로 용량을 줄인다. 

 

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Read me seconds.  

아날로그와 디지털의 차이를 살펴보면서 궁금했던 점은 디지털보다 한 차원 높은 정보 전달 방법의 존재 여부와 그 원리였다. 그러던 중 우연히 보게 된 기사 제목은 궁금증을 더 커지게 했다. 

'디지털 강국 넘어 양자 강국으로.."

 

어딘가 닮은 디지털과 양자

 

우선 디지털과 양자의 연결 고리가 없을지 궁금하니 양자가 무엇인지 조금만 찾아보았다. 양자의 사전적 의미는 '더 이상 나눌 수 없는 에너지 최소량의 단위'다. 영어로는 Quantom인데 라틴어 'Quantus'에서 온 말로 'how much', 양(量) 또는 수량을 의미한다. 

 

스스로 이해한 내용을 적자면 양자는 빛과 열과 같은 에너지의 최소 단위이며 셀 수 있다. 인간의 눈으로 보는 세상에서 에너지를 셀 수 있다는 것은 이해할 수 없는 말이지만 양자의 세계에서는 가능하다. 양자를 셀 때 중요한 점은 연속적인 값으로 셀 수 없고 띄엄띄엄한 값으로 셀 수 있다는 것이다. 즉 소수점 같은 주변값이 없다. 하나의 양자보다 조금 크거나 조금 작은 양은 존재할 수 없기에 그렇다. 

 

양자와 디지털은 셀 수 없는 연속적인 어떤 것을 셀 수 있게 한다는 공통점이 있다. 

 

0 또는 1, 0과 동시에 1

 

양자 컴퓨터의 특징은 양자 중첩과 양자 얽힘 현상을 이용한다는 것이다. 

 

양자라는 존재 안에서는 다양한 일들이 발생한다. 전통적인 힘과 운동의 원리가 적용되지 않는 이유로 양자는 양자 얽힘, 양자 중첩 등 인간이 이해하기 어려운 현상을 벌어지게 한다. 그래서 양자의 힘과 운동의 원리를 따로 연구하는 양자역학이라는 학문이 있으며 이 분야는 여전히 인류의 숙제로 남아 있다.  

 

양자역학의 핵심은 물질의 이중성이다. 사람들은 실험을 통해 양자가 어떨 때는 입자처럼 행동하다가 또 어떨 때는 파동처럼 행동한다는 것을 알아냈다. 양자가 왜 그렇게 행동하는지에 대한 설명 중 가장 널리 받아들여진 것이 코펜하겐 해석인데 그 해석에 따르면 관측^[각주:1]되기 전의 양자는 이쪽과 저쪽, 두 군데 존재할 확률이 동시에 있어 파동처럼 행동하고 관측된 순간부터 두 군데 중 한 군데에만 존재하는 것으로 결정되어 입자처럼 행동한다는 것이다. 

 

양자는 A 또는 B 둘 중 하나의 값으로 확정된 것이 아니라 A가 될 수도 있고 B가 될 수도 있는 상태로, 어떤 값을 가질지는확률로만 알 수 있다. 이것을 중첩 현상이라고 부른다. 따라서 0 또는 1로 정해져 있는 기존 컴퓨터의 비트와 달리 양자컴퓨터의 큐비트는 관측되기 전에는 0이 될지 1이 될지 확률로 가늠할 뿐이다. 

 

여기서 큐비트 하나의 상태가 정해지면 다른 큐비트들의 상태도 결정되는데, 멀리 떨어진 두 양자가 빛보다 빠른 속도로 서로 영향을 주고받는 양자 얽힘 현상 때문에 그렇다. 양자 하나가 관측되면 동시에 다른 양자의 상태가 결정되는 것이다. 큐비트 10개가 있고 그 중 1개의 상태가 결정되면 나머지 9개가 전부 결정되기 때문에 빠른 계산 속도를 보여줄 수 있다. 

 

디지털과는 어쩌면 다른 정보일 수도  

Microsoft Azure Quantum 블로그에 게시된 글 [Quantum Advantage: Hope and Hype]에서는 양자 컴퓨터는 인류가 직면한 가장 어려운 과제 중 일부를 해결할 것이지만 그렇다고 모든 문제를 해결하지는 않는다고 말한다. 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터와는 다른 특성을 가지는 만큼 다른 영역의 문제 해결, 이를테면 재료 과학^[각주:2]이나 전산 화학^[각주:3]에 유용할 것으로 내다봤다.  

 

실제로 최근 글로벌 컨설팅 기업 맥킨지는 양자컴퓨터 기술 발전으로 신약 개발 성공률은 5~10% 높아지고, 개발 시간은 15~20% 줄어들 전망이라고 밝힌 바 있다. 

 

양자는 디지털보다 한 차원 높은 정보를 전달하는 방법이 아니며 애초에 디지털과는 다른 정보를 전달하는 것일 수도 있다. 인류 문명이 난항을 겪고 있거나 아직 개척하지 못한 분야의 정보를 변환하고 전달하는 매개체가 양자인 것이다.

 

양자컴퓨터는 중첩 현상을 이용하는 특성상 진행 중인 연산을 외부에서 알 수 없어 오류 수정이 어렵다는 취약점이 있었는데 최근 들어 오류 해결 방법이 제시되고 있다. 다만 양자컴퓨터 구동에 필요한 헬륨 공급이 불안정해질 수 있다는 새로운 문제가 발생했으나 양자컴퓨터의 진화가 이루어지고 있는 건 분명해 보이며, 디지털에 이어 새로운 혁신을 가져올 주인공이 될 지 지켜볼 필요가 있다.

 

참고 자료

 

1. 송복기, "20년 새 11배 오른 헬륨 가격...양자컴 반도체 연구 위축 우려 커져", 조선 비즈, 2023.11.08.

2. 나확진, "양자가 뭐길래", 연합뉴스, 2023.06.24.

3. 이병철, "오류 확 낮춘 양자컴퓨터로 신약공정 만든다.", 조선 비즈, 2023.04.21

4. 최정석, "양자기술 이해하려면 알아야 할 두 키워드 '중첩'과 '얽힘'", 사이언스 조선, 2023.03.25.

5. 서동휘, https://qubit.donghwi.dev/

6. 박성관, "양자역학은 아는데 양자는 몰라", 웹진 한국연구, 2022.09.16.

 

 

 

 

1. 빛을 비추는 것, 먼지나 공기에 부딪히는 것 등 다양한 행위를 뜻하고 있다. [본문으로]
2. 재료의 기본적인 구조, 성질 및 처리에 관한 기본적인 지식을 탐구하는 학문 [본문으로]
3. 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 화학 문제를 해결하는 학문 [본문으로]