[스크랩] 물리학 최대의 난제 `슈뢰딩거의 고양이` 한국인이 해결

물리학 최대의 난제 '슈뢰딩거의 고양이'의 개념 

 

그리고 이 난제를 한국인이 거시상태에서 구현 성공

호주 퀸즐랜대 정현석박사

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 이는 진리다.

 

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.

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양자이론 난제 한국과학자가 해결

‘빛의 양자역학’ 수수께끼 풀었다

 

양자역학의 최대 수수께끼 가운데 하나로 불리던 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 상태가 현실에서 구현됐다.

한국인 과학자가 포함된 호주와 프랑스 공동연구팀이 일궈낸 성과로 양자 암호, 양자 컴퓨터, 양자 공간이동 등 미래의 양자 정보 기술에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

호주 퀸즐랜드대 양자컴퓨터기술센터 정현석 박사(35)는 프랑스 남파리대학 필립 그랜지어 교수팀과 함께 세계 최초로 진행하는 빛의 ‘슈뢰딩거 고양이 상태’를 만들어내는데 성공했다고 밝혔다. 이 연구결과는 과학저널 ‘네이처’ 온라인판 16일자에서 발표됐다.

슈뢰딩거의 고양이는 양자물리학의 창시자 중 하나인 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 양자상태를 설명하기 위해 고안한 사고실험(thought experiment)에서 유래한 용어다. 일반적 상식과 경험상 현실에 존재하는 고양이는 죽어있거나 살아있는 두 상태 중 하나일 수밖에 없다.

 

하지만 양자역학의 세계에서는 밀폐된 상자 안에 고양이가 있을 경우 그 고양이는 상자를 열어 확인하기 전까지는 살아있는 것도 아니고 죽어있는 것도 아닌, 두 가지가 중첩된 상태로 존재하는 것이 가능하다. 즉 슈뢰딩거의 고양이는 이처럼 어떤 물질이 밀폐된 상자 속의 고양이처럼 거시적으로 구별이 가능한 두 가지 상태의 양자적 중첩 형태로 존재하는 것을 의미한다.

연구진은 반거울로 생성된 광자 빔을 둘로 나눈 뒤 빔의 한쪽에 특별한 광학적 측정을 가해 다른 한쪽에 슈뢰딩거 고양이 상태를 만들고 이를 측정하는 데에도 성공했다. 정박사는 “이번에 구현한 ‘빛의 슈뢰딩거 고양이 상태’는 양자정보처리에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다. 정박사는 서강대 물리학과에서 학·석사과정을 마친 뒤 영국 벨패스트 퀸즈대에서 물리학 박사 학위를 취득했다.

〈심희정기자·연합뉴스〉

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• 상자에 갇힌 고양이의 운명은?
  
  
• 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

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양자역학 최대 수수께끼 ''슈뢰딩거의 고양이'' 상태 구현 성공

 

한국인 과학자가 포함된 호주와 프랑스 공동연구팀이 양자역학의 최대 수수께끼 가운데 하나인 ‘슈뢰딩거의 고양이’ 상태를 구현하는 데 성공했다.

슈뢰딩거의 고양이는 양자역학의 세계에서 밀폐된 상자 안에 고양이가 있을 경우 살아있는 것도 아니고 죽어있는 것도 아닌, 두 가지가 중첩된 상태로 존재하는 것처럼 물체가 두 가지 상태의 양자적 중첩형태로 존재하는 것을 의미한다.

호주 퀸즐랜드대 양자컴퓨터기술센터 정현석(35) 박사는 과학저널 ‘네이처(온라인 16일자)’에서 프랑스 남파리대학 필립 그랜지어 교수팀과 함께 세계 최초로 빛의 ‘슈뢰딩거 고양이 상태’를 만들어내는데 성공했다고 밝혔다.

슈뢰딩거의 고양이는 양자물리학의 창시자 중 하나인 오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거가 양자상태를 설명하기 위해 고안한 사고실험(thought experiment)에서 유래한 용어.

그 동안 거시적으로 구별 가능한 상태들의 양자 중첩은 만드는 것도 쉽지 않고, 설령 만들어낸다고 해도 주변 환경때문에 곧바로 ‘죽어있는 상태’나 ‘살아있는 상태’ 중 하나로 전이되기에 구현이 어려운 것으로 알려져 왔다.

김창덕 기자

출처 : 슈뢰딩거의 고양이

글쓴이 : 레이니 원글보기

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