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[강연] 손으로 만질 수 있는 양자역학: 거시 양자 현상과 양자컴퓨터_by 박권 | 고등과학원&카오스재단 '2025 노벨상 해설강연'

양자역학은 흔히 원자와 분자 같은 미시 세계의 물리 법칙으로 알려져 있습니다. 하지만 최신의 연구는 이러한 미시적 현상이 어떻게 거대한 현실 세계에서 구현될 수 있는지를 보여줍니다. '손으로 만질 수 있는 양자역학'이라는 개념은 바로 여기서 출발합니다. 우리 눈에 보이는 거시적인 시스템이 양자역학적 성질을 유지할 때, 우리는 이를 거시 양자 현상이라 부릅니다. 이를 이해하기 위해서는 확률의 흐름을 나타내는 도구인 양자 시계의 위상과 진폭에 주목해야 합니다. 이것이 입자가 어디에 존재할 확률이 높은지를 결정하는 핵심적인 열쇠가 되기 때문입니다. 양자역학의 신비로움을 보여주는 대표적인 사례는 이중 슬릿 실험입니다. 입자인 전자가 두 개의 문을 동시에 통과하여 간섭 무늬를 만들어내는 현상은 고전 역학으로는 설명이 불가능합니다. 전자는 파동의 성질을 동시에 지니기에, 마치 스스로를 분신처럼 쪼개어 양쪽 문을 한꺼번에 통과하는 것처럼 행동합니다. 이때 각각의 분신이 가진 양자 시계의 위상이 합쳐지면서 상쇄되거나 보강되는데, 이것이 스크린에 특유의 줄무늬를 남기게 됩니다. 이러한 중첩 현상은 양자역학이 단순히 이론에 그치지 않고 실제 자연의 근본적인 작동 원리임을 증명하는 가장 강력한 증거 중 하나입니다. 양자역학이 없다면 물질의 기본 단위인 원자조차 존재할 수 없습니다. 고전 역학의 관점에서 전자는 원자핵 주변을 돌며 전자기파를 방출하고 에너지를 잃어 핵으로 추락해야 마땅합니다. 하지만 보어의 원자 모형은 전자가 띄엄띄엄 떨어진 특정 궤도에만 존재할 수 있다는 '양자화' 개념을 도입해 이 문제를 해결했습니다. 전자가 한 바퀴 돌아 제자리로 왔을 때 양자 시계의 위상이 정확히 원래 방향과 일치해야만 사라지지 않고 유지될 수 있기 때문입니다. 이처럼 최소 궤도가 보장됨으로써 원자는 안정성을 유지하며, 우리가 발을 딛고 있는 이 거대한 세상을 구성할 수 있게 됩니다. 초전도 현상은 거시 양자 현상의 정점을 보여줍니다. 특정 온도 이하에서 전기 저항이 완전히 사라지는 이 현상은 전자의 독특한 집단행동에서 비롯됩니다. 영하 273도에 가까운 극저온 환경에서 전자들은 서로를 끌어당기는 힘을 통해 '쿠퍼 쌍'이라는 짝을 이루게 됩니다. 이때 중요한 것은 개별 전자가 제각각 움직이는 것이 아니라, 시스템 내의 모든 전자가 가진 양자 시계의 위상이 하나로 동기화된다는 점입니다. 수많은 전자가 마치 거대한 군대처럼 발맞추어 움직이기 때문에 어떤 불순물이나 장애물에도 방해받지 않고 저항 없이 전류가 흐를 수 있는 것입니다. 초전도체는 저항이 0일 뿐만 아니라 외부 자기장을 밀쳐내는 마이스너 효과라는 독특한 특성도 지니고 있습니다. 이는 자석이 초전도체 위에서 붕 뜨게 만드는 신기한 현상을 일으킵니다. 외부의 자기장은 초전도체 내부에 정렬된 전자의 양자 시계 위상을 뒤틀려고 시도하지만, 동기화된 전자들은 이를 거부하기 위해 자체적인 전류를 발생시켜 내부로 들어오는 자기장을 상쇄시킵니다. 결과적으로 초전도체는 거시적인 규모에서도 양자역학적 질서를 유지하며 자석을 공중에 띄우는 기적 같은 현상을 현실로 보여줍니다. 이러한 특성은 양자역학이 우리 눈앞에서 만질 수 있는 현상으로 나타남을 시사합니다. 이러한 거시 양자 현상을 응용한 것이 바로 조셉슨 접합입니다. 두 개의 초전도체 사이에 얇은 절연체를 끼워 넣으면, 고전적으로는 전류가 흐를 수 없지만 양자역학적인 '터널링'을 통해 전류가 흐르게 됩니다. 특히 이번 성과의 핵심인 거시 양자 터널링은 시스템 전체의 상태가 장벽을 뚫고 변화하는 현상을 의미합니다. 조셉슨 접합 회로는 그 자체가 하나의 거대한 인공 원자처럼 기능하며, 에너지 준위가 띄엄띄엄 양자화되는 특징을 보입니다. 기울어진 빨래판 위에서 입자가 굴러떨어지듯 에너지가 변화하는 과정에서 나타나는 이 현상은 양자 제어를 위한 핵심적인 물리적 토대가 됩니다. 조셉슨 접합을 통해 양자화된 에너지 준위를 조절하면 우리는 현대 과학의 결정체인 양자 컴퓨터를 구현할 수 있습니다. 고전 컴퓨터가 0과 1이라는 확정된 비트를 사용한다면, 양자 컴퓨터는 0과 1이 동시에 존재하는 중첩 상태인 '큐비트'를 정보의 단위로 삼습니다. 초전도 회로 내에서 전자의 진폭과 양자 시계의 위상을 정밀하게 제어함으로써 복잡한 연산을 동시에 처리할 수 있는 길이 열린 것입니다. 양자역학적 원리를 손으로 만질 수 있는 거시적 회로에 담아낸 이 기술은 미래의 계산 능력을 혁명적으로 변화시킬 것입니다. 보이지 않는 작은 세계의 법칙이 이제 인류의 기술적 한계를 뛰어넘는 거대한 힘으로 작용하고 있습니다.

[강연] 제29회 서울대 자연과학대학 공개강연_'과학동행'2 by정현석, 손석우 l 서울대학교&카오스재단 | 2부

자연과학은 우리가 발을 딛고 있는 이 세계의 본질을 탐구하는 여정입니다. 2022년 UN이 지정한 '세계 기초과학의 해'를 맞아 진행된 이번 논의는 '과학과의 동행'이라는 주제 아래 기초과학의 가치를 재조명합니다. 미지의 영역을 향해 끊임없이 질문을 던지는 과정 자체가 인류에게 가장 소중한 가치가 됩니다. 이러한 탐구는 당장의 경제적 이득을 목적으로 하지 않더라도, 결국 인간의 본성에 부합하며 인류 전체에 유익한 결과를 가져다주는 밑거름이 됩니다. 우리가 아는 것보다 모르는 것이 훨씬 더 많다는 사실을 인정하는 데서 진정한 과학적 진보가 시작됩니다. 양자역학은 현대 물리학에서 가장 비직관적이면서도 매혹적인 분야로 꼽힙니다. 빛이 입자인지 파동인지에 대한 오랜 논쟁은 양자역학의 탄생과 함께 새로운 국면을 맞이했습니다. 단일 광자는 반거울을 통과할 때 어느 한 경로를 선택하는 입자처럼 행동하면서도, 관측되지 않을 때는 두 경로를 동시에 지나는 파동처럼 간섭 현상을 일으킵니다. 이러한 '양자 중첩' 상태는 우리가 일상에서 경험하는 논리적 범주를 뛰어넘습니다. 관측하는 순간 상태가 결정되는 이 기묘한 현상은 미시 세계의 기본 원리이며, 우리가 보지 않을 때 자연이 어떻게 행동하는지에 대한 심오한 통찰을 제공합니다. 양자 중첩의 개념을 여러 입자로 확장하면 '양자 얽힘'이라는 더욱 놀라운 현상에 도달합니다. 멀리 떨어져 있는 두 입자가 서로의 상태를 즉각적으로 결정하는 이 현상은 아인슈타인이 '유령 같은 원거리 작용'이라 부르며 의구심을 표했을 만큼 파격적이었습니다. 그러나 벨의 부등식 실험을 통해 국소적 실재론의 한계가 증명되면서, 우리는 이제 우주가 근본적으로 서로 얽혀 있다는 사실을 받아들이게 되었습니다. 이는 단순히 물리적 현상을 넘어 우리의 세계관을 근본적으로 바꾸어 놓았습니다. 이러한 양자적 상관관계는 현대 정보 기술의 패러다임을 바꿀 핵심 자원으로 주목받고 있습니다. 양자 기술을 현실에 구현하기 위한 과학자들의 노력은 '결어긋남'과의 전쟁이라 할 수 있습니다. 거시 세계의 물체는 외부 환경과 끊임없이 상호작용하며 양자적 특성을 쉽게 잃어버리기 때문입니다. 이를 극복하기 위해 온도를 극도로 낮추거나 우주 공간을 활용하는 등 다양한 시도가 이어지고 있습니다. 0과 1의 중첩을 이용하는 '큐비트' 기반의 양자 컴퓨터와 도청이 불가능한 양자 암호 통신은 이미 실험실을 넘어 실용화의 단계로 나아가고 있습니다. 비록 완벽한 양자 컴퓨터의 시대까지는 시간이 필요하겠지만, 잡음이 존재하는 현재의 기술 수준에서도 고전 컴퓨터가 풀지 못하는 난제들을 해결하려는 도전은 계속됩니다. 기후 변화는 이제 단순한 변화를 넘어 인류의 생존을 위협하는 '기후 위기'의 시대로 접어들었습니다. 2021년 노벨 물리학상이 기후 과학자들에게 수여된 것은 이 분야가 정통 물리학의 중요한 한 축임을 전 세계에 공표한 사건이었습니다. 기후에 대한 탐구는 19세기 푸리에의 에너지 균형 연구와 틴들의 온실 기체 발견에서 시작되어 아레니우스의 정량적 분석으로 이어졌습니다. 이들은 지구가 왜 생명체가 살기에 적합한 온도를 유지하는지, 그리고 이산화탄소 농도가 기온에 어떤 영향을 미치는지에 대한 과학적 토대를 마련했습니다. 이러한 선구적인 연구들은 현대 기후 모델링의 출발점이 되었습니다. 현대 기후 과학은 정교한 컴퓨터 모델을 통해 지구의 미래를 예측합니다. 마나베 박사가 개발한 기후 모델은 대류와 복사 에너지의 상호작용을 물리 법칙으로 구현하여 온실 효과를 증명해 냈습니다. 또한 하셀만 박사가 제안한 '지문법'은 최근의 급격한 온난화가 자연적인 변동이 아닌 인류의 활동에 의한 것임을 통계적으로 명백히 규명했습니다. 현재 북극의 빙하가 녹고 기상 이변이 속출하는 현상은 수십 년 전 과학자들이 모델을 통해 예견했던 결과와 놀라울 정도로 일치합니다. 이는 기후 위기가 막연한 추측이 아니라 엄밀한 과학적 근거에 기반한 현실임을 시사합니다. 과학은 불확실한 미지의 영역을 확실한 지식의 영역으로 옮겨오는 인류의 가장 강력한 도구입니다. 양자 세계의 비밀을 파헤쳐 기술의 한계를 돌파하고, 기후 모델을 통해 지구의 위기를 진단하는 과정은 모두 미래 세대와의 지속 가능한 동행을 위한 노력입니다. 이제는 과학적 발견을 넘어 실천적인 행동이 필요한 시점입니다. 탄소 중립을 향한 국가적 대응과 더불어, 과학의 본질을 이해하고 그 가치를 공유하는 공동체의 노력이 뒷받침되어야 합니다. 과학자들의 끊임없는 질문과 도전이 계속되는 한, 우리는 더 나은 미래를 향한 희망의 실마리를 놓지 않을 것입니다.