無파괴 관찰장치 개발 양자컴퓨터 원리 입증

올해 노벨 물리학상은 ‘미래의 컴퓨터’로 불리는 양자컴퓨터의 가장 기본적인 원리를 밝혀낸 두 양자물리학자에게 돌아갔다. 스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 9일(현지시간) 세르주 아로슈(왼쪽·68) 콜레주 드 프랑스 교수와 데이비드 와인랜드(오른쪽·68) 미국립표준기술연구소 박사를 노벨 물리학상 수상자로 선정했다. 위원회는 “이들은 양자(원자·광자·이온 등 미시세계에서 운동량과 위치를 동시에 파악할 수 없는 개별 입자 단위의 통칭) 입자를 파괴하지 않고 관찰하는 장치를 만들어 양자 물리학을 획기적으로 발전시켰다.”고 밝혔다.

●정의할 수 없는 ‘중첩’ 현상 관측

두 사람은 각기 다른 방식으로 양자 하나를 잡아둔 채 실험을 진행, 기존에 입증되지 않았던 각종 성질을 발견했다.

아로슈 교수는 정밀도가 높은 거울 사이에 빛의 입자인 광자(포톤) 하나를 가둔 뒤 원자를 통과시켜 광자의 성질을 파악했고, 와인랜드 박사는 전기를 띤 원자(이온) 하나를 전기장 안에 넣은 뒤 레이저 형태인 광자로 자유자재로 다룰 수 있는 ‘이온 덫’을 개발했다. 특히 이 과정에서 두 사람은 하나의 양자가 단순히 사라지거나 없어지는 것이 아닌 뚜렷하게 정의할 수 없는 ‘중첩’ 현상을 관측했다. 아로슈 교수의 제자인 제원호 서울대 물리학과 교수는 “양자처럼 극도로 미시의 영역에서는 양자 하나하나의 상호관계를 파악해야 근본적인 원리를 이해할 수 있다.”면서 “두 사람은 기존에 불가능하다고 여겨졌던 양자 단위의 조작을 구현하고, 이론적으로만 알려졌던 ‘중첩’도 관측하는 데 성공했다.”고 설명했다.

●양자물리학 획기적 발전 공헌

두 사람의 실험은 ‘0’과 ‘1’의 방식으로 정보를 표현하는 디지털컴퓨터와 달리 ‘0’과 ‘1’이 동시에 겹쳐서 나타나는 형태로 정보를 전달하는 양자컴퓨터가 실제로 만들어질 수 있다는 토대를 제공했다. 디지털컴퓨터는 수십만개의 전자로 0 또는 1 하나만을 표현할 수 있고, 10배로 시스템이 늘어나면 10배의 성능이 된다. 하지만 중첩된 양자는 여러 가지의 정보를 한번에 담을 수 있기 때문에 큐비트(정보를 담은 양자 하나)가 10배로 늘어나면 2의 10제곱으로 성능이 획기적으로 높아진다. 신성철 한국물리학회장은 “이론적으로는 큐비트 300개만 있으면 전 우주에 있는 모든 원자의 정보를 한꺼번에 담을 수 있다.”면서 “아직은 10여개의 큐비트만 다룰 수 있지만, 활발한 연구가 진행되고 있는 만큼 무한한 가능성이 있다.”고 말했다.

박건형기자 kitsch@seoul.co.kr

윤샘이나기자 sam@seoul.co.kr