양자이론 난제 한국과학자가 해결



濠퀸즈랜드대 정현석 박사 '슈뢰딩거의 고양이' 실험 구현
'꿈의 양자 컴퓨터' 현실화 접근 의미

양자이론의 교과서적 문제인 ‘슈뢰딩거의 고양이’가 실제 실험으로 구현됐다. 호주 퀸즈랜드대 양자컴퓨터기술센터 연구원인 정현석 박사는 세계적 학술지 <네이처>에 16일자에 “빛으로 슈뢰딩거의 고양이 상태를 만들었다”는 논문을 발표했다.

슈뢰딩거의 고양이란 양자이론 방정식을 창안한 어윈 슈뢰딩거가 만든 사고(思考)실험(실제 실험이 불가능할 때 가상의 실험상황을 추론하는 것)이다. 미시세계의 존재인 원자나 전자는 입자인 동시에 파동이거나, 서로 다른 위치에 동시에 존재하는 ‘중첩 상태’가 일반적이다.

입자가 어떤 상태인지는 오직 확률로만 알 수 있으며(이를 계산하는 것이 슈뢰딩거가 만든 방정식이다) 관측행위를 하는 순간 입자 또는 파동으로 결정된다.



슈뢰딩거 고양이란 1시간 내에 분열할 확률이 50%인 입자와 고양이를 상자 속에 가두고 핵분열이 일어날 때 독가스가 나오도록 하는 실험이다.

이 경우 상자 뚜껑을 열기 전까진 양자이론에 따라 입자가 붕괴상태와 붕괴되지 않은 상태로 중첩돼 있듯이 고양이도 살아있는 상태와 죽은 상태가 중첩돼 있다는 것이다. 슈뢰딩거는 양자이론을 거시세계로 확장해 그 모순(살아있는 상태와 죽은 상태의 중첩이라는 모순적 상황)을 지적하려 한 것이었으나, 사실상 거시세계에서 양자 현상을 구현하는 것이 불가능했다.

이론물리학자인 정 박사는 광자(빛의 입자)빔을 반거울(빛의 반은 반사하고 반은 통과시키는 거울)로 둘로 나눈 뒤 한쪽에선 광자들이 서로 다른 위치에 중첩돼 있도록 만들고 다른 한쪽에선 이를 측정할 수 있는 아이디어를 내놓았고, 프랑스 파리-쉬드 대학의 필립 그랑지에 교수팀이 이 아이디어를 실험으로 구현했다.

결과적으로 연구팀은 생사가 중첩된 슈뢰딩거의 고양이처럼 위치가 중첩된 다수의 광자를 만들어 측정하는 데에 성공했다. 정 박사는 “이번에는 2개의 광자로 실험했지만 광자의 수를 늘려서 거시적으로 슈뢰딩거 고양이 상태를 만들 수 있음을 이론적으로 확인했다”며 “지난 20여년간 이론적 논의에 그쳤던 슈뢰딩거의 고양이 상태를 빛으로 만들어 낸 것”이라고 설명했다.

이러한 연구결과는 양자컴퓨터를 현실화하는 데에 한걸음 다가섰다는 중요한 의미가 있다. ‘꿈의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터는 중첩된 양자상태를 이용해 복잡한 계산을 병렬적으로 순식간에 끝낼 수 있지만 거시세계에서 양자상태를 유지하는 것이 난제였다. 하지만 이번 연구로 그 문제의 해결 가능성이 높아졌다.

김희원 기자 hee@hk.co.kr