슈뢰딩거 고양이 사고실험. 미시 세계의 기묘한 양자역학 현상을 거시 세계로 확장하면 상식에 반하는 결론에 이르게 된다는 것을 보여준다. 위키


‘슈뢰딩거의 고양이’는 살아있는 동시에 죽어있는 반생반사(半生半死)의 고양이로 흔히 묘사됩니다. 원자나 전자 같은 작은 입자는 동시에 여러 곳에 존재하는 등 여러 상태를 동시에 가질 수 있습니다. 0과 1의 정보를 동시에 갖는 양자컴퓨터 큐비트의 원리이기도 한 ‘양자중첩’ 현상이죠. 고양이처럼 큰 일상의 존재나 사물은 양자중첩 상태가 되기 매우 어렵습니다. 일상에서는 주변 공기나 빛처럼 양자중첩을 깨뜨리는 오션파라다이스사이트 외부 변수들이 너무 많기 때문이죠. 고양이까지 갈 것도 없이 매우 작은 큐비트만 하더라도 외부 변수들로 인해 양자중첩이 깨지고 계산 오류를 야기하는 문제가 제대로 해결되지 않았죠. 이론적으로는 고양이도 다른 입자나 에너지로부터 거의 완전히 차단된다면 동시에 여러 상태를 갖는 양자중첩이 될 수 있습니다. 현실에서는 질식하거나 얼어서 죽겠지만 이론적으로는 그 릴게임몰 렇습니다. 만약 실험을 잘 설계해서 양자중첩 상태의 입자가 화학 반응을 일으키는 동시에 일으키지 않아서, 연쇄적으로 화학 반응으로 독가스가 방출되는 동시에 화학 반응 없이 방출되지 않는다면, 밀폐실에 갇힌 고양이는 그 독가스를 마셔 죽는 동시에 독가스가 안 나와서 생존할 수 있습니다. 이 모순을 강조해 양자중첩이라는 괴상한 개념을 반박하려 했던 사고실험이 릴게임종류 바로 슈뢰딩거의 고양입니다. 오늘날 학계는 100년 전 머릿속 아이디어였던 슈뢰딩거의 고양이 실험에 조금씩이나마 다가가고 있습니다. 전자, 단일 원자를 넘어 점점 더 큰 물질에서 양자중첩 상태를 구현해나가면서죠. 앞서 설명했듯 몸집이 커질수록 외부 변수에 취약해져 양자중첩이 되기 어려운데 이를 극복하는 시도가 이어지고 있습니다. 오스트리아 비엔나대 연구진이 손오공릴게임예시 21일(현지 시간) 국제 학술지 ‘네이처’에 발표한 논문 ‘나노입자 물질파 간섭계를 활용한 양자역학 탐구’는 이 연구의 최전선입니다.



나트륨 원자 7000여개 규모의 양자중첩 실험. 실험 결과 양자중첩을 확인할 수 있는 간섭무늬(위)가 생겼음을 나타낸다. 사진 제공=비엔 바다신2 다운로드 나대·네이처


연구진은 나트륨 원자 7000개 이상, 지름 8㎚(나노미터·10억 분의 1m) 크기의 물질을 양자중첩시키는 데 성공했습니다. 보통 원자 지름을 재는 길이 단위로 Å(옹스트롬·0.1㎚)를 쓰니 8㎚는 단일 원자 지름의 수십배에 달하는 거대한 크기입니다. 네이처는 2019년 원자 2000개짜리 실험에 이어 이번이 역대 최대 규모의 양자중첩 시험이라고 설명했습니다. 고양이 크기에는 아직 한참 못 미치지만 학계에서는 의미 있는 ‘스케일업’이라는 거죠. 양자중첩을 어떻게 확인할까요. ‘간섭무늬’를 통해서입니다(참고 기사: 아인슈타인의 이중슬릿 논쟁, 98년만에 종지부 [김윤수의 퀀텀점프]). 물결파 같은 파동은 매우 좁은 간격으로 나란히 틈(슬릿) 2개가 뚫린 실험장치인 이중슬릿을 통과하면 특유의 복잡한 간섭무늬를 만듭니다. 물결파가 이중슬릿을 통과하면 각각의 틈에서 다시 파원(波源)이 만들어져 물결파 2개로 나뉘고 두 물결파는 각자 퍼지는 과정에서 서로 겹쳐서 증폭되거나 상쇄되는 결과죠.



파동의 성질을 가진 빛이 이중슬릿을 통과해 만든 간섭무늬. 사진 제공=위키/Jasper Olbrich


물결파뿐 아니라 전자 같은 입자도 이중슬릿을 통과하면 간섭무늬가 생길 수 있습니다. 입자도 사실은 파동의 성질을 가진 물질파라는 거죠. 이번 논문 제목에도 물질파가 들어간 이유죠. 아무튼 좀더 구체적으로는 입자가 여러 위치에 각각의 확률로 분산돼 동시에 존재하는 상태가 일종의 파동이라는 겁니다. 양자중첩은 이 같은 파동성으로 달리 표현할 수 있습니다. 다시 말해 이번 비엔나대 연구진은 나트륨 원자 7000개짜리 거대한 물질을 이중슬릿에 통과시켜 간섭무늬를 확인하는 데 성공한 것입니다. 학계가 양자중첩의 규모를 키우려는 이유는 이것이 양자컴퓨터 발전으로 직결되기 때문입니다. 더 큰 물질을 양자중첩시킬 수 있다는 것은 양자중첩을 깨뜨리는 외부 변수도 잘 통제할 수 있다는 뜻이겠죠. 양자컴퓨터 역시 큐비트 수를 점점 늘리면서도 계산 오류를 일으키는 외부 변수를 잘 통제할 수 있게 되는 것입니다. 지난해 노벨 물리학상도 이 분야 업적을 낸 연구자들에게 주어졌습니다. 이들은 1984년 거시적 시스템, 즉 원자 세계가 아닌 일상 세계에 있는 초전도체 전기 회로에서 다양한 수치를 측정하며 양자 현상인 양자 터널링과 에너지 양자화를 일상의 거시세계에서 발견하는 데 성공했습니다. 특히 미셸 드보레 구글 퀀텀AI 수석과학자가 주인공 중 한 명입니다. 양자 원리를 현실에서 구현하는 스케일링 경쟁에 빅테크부터 앞장서고 있다는 거죠.







입자가 벽을 통과할 수 있는 양자 터널링 현상. 사진 제공=스웨덴 왕립과학아카데미


김윤수 기자 sookim@sedaily.com