양자역학을 기반으로 한 기술이 국가 전략산업으로 이어지면서 글로벌 시대 주도권을 가지려는 국가적 경쟁으로 번지고 있다. 이번 노벨 물리학상 수상자 세 명의 과학자들도 양자역학 원리의 기초에 대한 전문가들이 선정되어 이를 증명한다
노벨 물리학상을 수상한 세명의 과학자
알랭 아스페
양자 얽힘에 대한 실험적 연구로 유명한 알랭 아스페는 프랑스 태생의 물리학자이다 오디세이 대학에서 석사학위를 박고 카메룬에서 3년간 교편생활을 했으며 1980년대 초에 벨 부등식 실험을 수행했다 이후 아스페는 중립적인 원자의 레이저 냉각에 대한 연구로 방향을 틀었다 아스페는 프랑스 과학 아카데미와 프랑스 기술 아카데미 회원이며 에콜 폴리테니크 교수다 아스페는 안톤 차일링거와 존 클라우드와 함께 2010년 울프 물리학상을 받았다
존 프란시스 클라우저
클라우저는 미국의 이론 실험 물리학자이다 캘리포니아 패서디나 출신으로 캘리포니아 공과대학에서 물리학 학사학위와 컬럼비아 대학에서 박사 학위를 받았다 1974년 마이클 혼과 함께 작업하면서 처음으로 벨의 정리를 일반화하는 것이 모든 지역의 현실적인 자연 이론에 심각한 제약을 제공한다는 것을 보여 주었다
안톤 차일링거
안톤 차일링거는 오스트리아 출신 양자 물리학자로서 자신의 평생을 양자역학의 신비와 관련된 연구에 바쳤다 양자 물리학의 기초에 대한 선구적인 개념 및 실험 공헌으로 2008년 영국 물리학 연구소 초대 아이작 뉴턴 메달을 수상했다 그의 연구 대부분은 양자 얽힘의 근본적인 측면과 응용에 관한 것이다 안톤 차일링거는 그의 인터뷰에서 반도체 대신 원자 하나를 사용하는 양자 컴퓨터를 상상한다고 했다 이 기계는 물질을 정보로 바꾸어 순간 이동시킬 수 있는 환상적인 기능 또한 가질 것이라고 했다
양자역학이란 무엇인가
양자역학은 소립자 분자 원자 전자 등 미시세계와 그러한 계에서 일어나는 현상을 다루는 즉 작은 크기를 갖는 계의 현상을 연구하는 물리학의 한 부분이다 듣기만 해도 어려운데 조금 쉽게 말하자면 밀리컨의 실험한 기름방울을 예로 들어 기름방울의 크기는 제 각각이지만 전하량은 어떤 특정 최솟값의 자연수 배이고 그 최솟값을 전자 1개의 전하량(양자)으로(양자) 특정 지을 수 있다 전하량은 양자화되어 있기 때문에 전자가 1.5개에 해당하는 1.2xe와 같은 전하량은 볼 수 없는 것이다
양자 기술을 구현하는 핵심 원리는 양자역학의 ’ 중첩’과 ‘얽힘’ 현상이 있다. 이 중 양자 얽힘이란 하나의 입자를 둘로 쪼개서 아주 먼 거리에 위치시키더라도 한쪽의 스핀(spin) 방향이 정해지면 동시에 다른 쪽의 스핀 방향이 반대로 정해지는 현상을 말한다. 이 같은 현상을 검증하고 양자컴퓨터 등 양자기술 시대를 여는 데 공헌한 물리학자 3명이 올해 노벨 물리학상을 받은 것이다.
이들보다 앞서 아인슈타인은 “어떤 정보가 빛의 속도를 넘어 전달될 수 없다”며 양자 얽힘이란 가설이 불가능하다고 했다. 반면 스튜어트 벨은 ‘벨 부등식’이라는 수식을 제시하며 반박했다. 클라우저 박사는 벨이 고안한 아이디어를 발전시켜 실제 실험을 진행했고 아스페 교수는 칼슘 원자를 레이저로 쏴 쌍둥이 광자를 만들어 아인슈타인이 주장했던 숨은 변수가 없다는 것을 확인했다. 차일링거 교수는 처음으로 양자 상태를 한 입자에서 멀리 떨어진 입자로 이동할 수 있는 ‘양자 순간이동’ 현상을 시연하며 양자통신 실험을 했다 노벨 위원회는 이들이 양지 기술이 새로운 시대를 위한 패러다임을 마련했다고 의미를 부여해 노벨 물리학상의 수상을 결정했다
그럼 기술 전쟁의 핵심 분야 중 하나인 양자 기술 우리나라 어떤가 한국 양자 정보 연구단 연구팀이 양자 기술의 완벽한 안정성을 입증하는 논문을 발표했고 물리학 분야 최고 권위지에 표지 논문으로 발표되었으나 여전히 걸음마 단계이고 미국·중국·EU 등 양자기술의 선도국들과 멀찍이 떨어져 추격하는 양상이다. 오는 2026년까지 5050 큐비트 양자컴퓨터 개발, 게임 체인저형 양자 소재 개발 등을 추진 중이나 여전히 역부족이다.
우리나라도 미래 한국을 위해서는 많은 과학도들에 대한 투자가 시급하지 않을까 생각한다
