30대 한국인 과학자, 양자역학 새장

[산업일보]
사람이 아파트 2층과 3층 동시에 있을 수 있을까? 심지어 삶과 죽음을 동시에 가질 수 있을까? 이런 일을 믿는다면 얼빠진 사람 취급을 받겠지만, 양자역학(量子力學)에서는 이를 믿는다. 모든 입자(粒子)가 파동성(波動性)을 가져, 입자가 한 시점에 한 위치에만 있는 게 아니라 일정한 운동공간 내에 퍼져 있다고 보기 때문이다. 하나가 동시에 여기도 있고 저기도 있을 수 있다는 이야기다.

다수의 양자 물리학자들은 탄탄한 이론적 토대를 바탕으로, 한 실체(entity)가 배타적인 두 상태를 동시에 가질 수 있다고 판단했다. 예를 들어 미국의 파인만(Feynman)은, ‘하나의 전자가 서로 다른 두 개의 구멍을 동시에 지나갈 수 있다’는 것을 모순 없이 설명하기도 했다. 그렇지만 양자역학 설계 공로로 1933년 노벨 물리학상을 받기도 했던 오스트리아 과학자 슈뢰딩거(Schr?dinger)는 양자역학의 편재(遍在·널리 퍼져있음)성에 문제를 제기해, ‘슈뢰딩거의 고양이’라는 해결해야 할 과제가 등장했다.

문제는 입자의 편재(遍在)를 실제 생활에서는 볼 수 없다는 점이다. 양자역학은 뉴턴(Newton)이 세운 고전(古典)역학이 원자(原子) 같은 미시(微視)세계에는 부적합했기 때문에 탄생한 것이지만, 실제생활인 거시(巨視)세계에서는 양자역학과 뉴턴역학의 차이가 없어져 버리기 때문이다.

16일 영국의 과학전문 주간지 네이처(Nature)에는 슈뢰딩거 고양이의 난제를 한 단계 해결한 논문이 실렸다. 제목은 ‘슈뢰딩거 고양이의 광학적(光學的) 탄생’. 한국인 정현석(35) 박사가 포함된 호주·프랑스 연구진은 레이저를 이용해 2개의 광자(光子)를 서로 구별할 수 있는 양자중첩(重疊)을 만들어내고 측정하는 데 성공했다.

양자중첩은 입자가 동시에 여러 곳에 존재해 서로 걸쳐 나타나는 현상이다. 복수의 광자로 실험에 성공한 양자중첩 현상은 이번이 처음이며, 정 박사가 실험 아이디어를 제공했다. 고등과학원 김재완(49) 교수는 “정 박사의 제안에 따르면 사실상 무한개의 광자에서도 양자중첩 구현이 가능해, 미시세계의 슈뢰딩거 고양이를 거시세계에서 보일 수 있는 가능성을 열었다”며 “앞으로 양자컴퓨터나 양자암호 발전에 크게 이바지할 것”이라고 말했다.

슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거가 ‘입자가 일정한 공간 내에서 여기에도 있고, 저기에도 있다’는 양자역학의 기본 개념에 문제를 제기해 생긴 난제. 슈뢰딩거는 고양이를 예로 들어 밀폐된 상자 안에 ‘고양이가 죽었든지 살았든지 해야지, 고양이가 죽었으면서 살았을 수 있다는 견해는 받아들일 수 없다’고 주장했다. 이후 입자의 편재(遍在·널리 퍼져 있음)성을 다루는 문제를 ‘슈뢰딩거의 고양이’라 부르게 됐다.