세바시 1864회 | 양자역학하면 아직도 고양이가 살았냐 죽었냐만 떠오른다면 | 이효종

 

양자역학은 신화가 아니라 과학입니다

• 양자기술은 사회적 수요에 힘입어 투자가 이루어지고 있고 
• 양자 컴퓨터와 양자 보안 기술은 국력과 안보에 결부되어 있기 때문에 소리 없는 전쟁과도 같은데요.
• 우리가 양자 역학에 대해서 혹은 양자 기술에 대해서 관심을 가져야 될 이유는 그

 

양자역학 핵심 이 정도는 알아야 잘난체 할 수 있다

 

안녕하세요. 

저는 과학 쿠키라고 하는 채널에 스튜디오 인 쿠키 스튜디오의 대표를 맡고 있는 이효종이라고 합니다.

양자 기술이라고 하면 정말 우리 일상과는 먼 뭔가 신비로운 기술인 것 같습니다.

 

 

양자역학을 좋아하시는 분들도 있고 그 좋아함에는 사실 이 고양이가 굉장히 많은 기여를 했던 것 같습니다.

대중 강연을 할 때 늘 등장하는 이 슈레딩거 고양이로 알려진 아주 귀여운 고양이인데요.

이 고양이는 정말로 신비하게 살아있거나 죽어 있는 상태가 공존하는 그런 상태라고 알려져 있는 고양이입니다.

양자역학을 설명하는 많은 사람들이 슈레딩거 고양이를 통해서 이 양자 현상의 신비로운 것을 설명하기도 하는데요.

 

 

이 양자역학의 신비, 양자 기술의 신비란 바로 이 양자 우리 눈에 보이지 않는 세계가 우리가 보고 듣고 느끼는 모든 것들 그런 경험하는 세계와 다르다.

그리고 그 다른 점을 우리가 수학적으로 모델링하고 예측할 수 있다라고 하는 그 경이로움에 있는 것 같습니다.

 

 

지금 여기 보시는 왼쪽 사진은요 어떤 어떤 빛이죠?

빛을 알루미늄 포일에 쐈는데 그 빛이 파동의 성질을 가지기 때문에 나타나는 회전문이라고 합니다.

그런데 오른쪽에 있는 것은 그 빛과는 조금 다른 전자선이라고 하는 전자를 발사해서 알루미늄 포일에다가 쐈을 때 뒤쪽에 전자가 맺히는 그 무늬입니다.

 

두 부위의 차이점을 알 수 있을까요? 뭐 색깔이 좀 다를 수 있고요.

중간에 조금 전자가 위치해 있는 어떤 그 밀도가 좀 다를 수 있겠지만 오히려 저희는 이 공통점에 주목을 합니다.

분명히 빛은 파동으로 알려져 있고 전자라고 하는 것은 당시 과학자들은 입자로 알고 있었는데 

왜 저 둘이 비슷한 회절 무늬를 만들까?

 

바로 이 현상 전자가 파동성을 가지고 있다.

전자 같은 존재가 양자적 특성을 가지고 있다라고 하는 이것이 바로 양자 세계가 이야기하는 신비로움인 것 같습니다.

그리고 우리는 이것을 심지어 기술로도 이용할 수 있는데요.

그렇기에 양자학의 현상을 비유적으로 일상 속으로 끌고 와서 정말 슈레딩거의 고양이가 

그러니까 고양이가 살아있거나 죽어 있거나 하는 것이 정말 우리의 세계에 존재하는 것인가를 주목할 것이 아니라 

그런 특성을 가지고 있는 양자 세계를 우리가 어떻게 바라보고 이것을 어떻게 기술로 활용할지를 주목해 볼 필요가 있습니다.

그래서 저는 그 과학자들이 신비롭게 여겼던 양자를 왜 신비롭게 여겼는지 

그리고 그것을 기술로 이용하는 것이 어떤 가치가 있는지를 보여드리기 위해서 다음의 숫자를 준비해 봤습니다.

 

 

지금 여기에 있는 숫자, 여러분들 1 3 5 7 9 그리고 점점에서 이제 뒤에 알 수 없는 숫자들 이 숫자들 뒤쪽에 있는 숫자를 예측할 수 있을까요?

아! 맞습니다. 

이 친구 혹시 초등학생인가요? 

초등학생 수준에서도 예측할 수 있는 수학의 배열입니다.

우리가 그것을 아래쪽에 조금 다소 문자가 섞여 있는 알 수 없는 식처럼 표현했지만 사실 저것은 몇 번째 항에 그러니까 뒤쪽으로 갈수록 이 숫자의 배열이 저런 규칙성을 따른다라고 하는 것을 단순하게 표현한 것입니다.

그래서 저것은 다음 항으로 넘어갈 때마다 2씩 증가한다라고 하는 것을 표현했다고 볼 수 있습니다.

 

 

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이번에는 조금 다른 숫자들을 준비해 봤습니다. 

여러분 이 숫자들에서 규칙성을 찾아낼 수 있을까요?

저 뒤에 있는 13 다음에 나오는 숫자가 혹시 뭔지 아실까요?

좋습니다. 맞습니다. 

이수는 이전 왕과 그전에 있는 숫자를 더했을 때 그다음 왕의 숫자가 나온다는 그 유명한 수열인 피보나치수열입니다.

이 알 수 없을 것처럼 랜덤 한 숫자의 배열이, 피보나치가 이 수열을 가지고 다양한 자연을 설명했다고 해서 의미가 있다고 하여 붙여진 피보나치의 수열입니다.

 

 

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그리고 대망의 다음 문제를 보여드리고자 합니다.

이 숫자들의 규칙성을 알아낼 수 있을까요?

난 알 수 있겠다 하시는 분들 손 들어주시기 바랍니다.

당대 이 숫자가 대중에게 공개된 19세기에는 이 숫자가 의미하는 바가 대체 무엇인지 이것을 어떻게 예측할 수 있을지 그 누구도 알지 못했다고 합니다.

과연 이 숫자가 의미하는 것이 무엇일까 그 숫자에 대한 비밀을 여러분들께 지금 공개하도록 할 것인데요.

 

 

물리학자인 안데르스 옹스트롬이라고 하는 학자가 있습니다.

이 사람은 19세기에 활동한 과학자인데요. 이 사람이 특별히 한 연구는 빛을 아주 세부적으로 쪼개서 그 빛의 파장이 무엇인가를 면밀히 연구하는 그런 학문을 했습니다.

그런데 이 안데스 올트럼은 아주 기묘한 4가지의 빗줄기에 주목을 했는데요.

이것은 당시 많은 과학자들이 흥미를 가지고 있었던 수소에서 만들어지는 빛의 정확한 그 빛의 줄기의 파장을 측정한 것입니다.

안데르스 옹스트롬은 여기 있는 이 4가지의 파장을 아주 정밀한 수준까지 측정을 한 공로로 그 단위를 옹스트롬이라고 사용하고 있을 정도로 면밀하게 이 파장을 측정했는데요.

 

 

바로 이 4가지의 숫자 아까 보여드렸던 이 4가지의 숫자가 수소에서 발생하는 수소의 빛의 파장을 나타낸 숫자입니다.

 

 

그런데 이 네 가지 숫자에 갑자기 패턴을 알아내라니 그 패턴을 어떻게 알아낼 수 있었을까요?

어떤 한 수학자는 저 네 가지 숫자가 나타내낸 물리적인 중요성 

그러니까 수소가 만들어낸 빛이라고 하는 것에 주목하지 않고 이 네 가지의 빛에는 뭔가 자연에 있는 아주 아름다운 구조가 숨어 있을 것이다라고 생각을 하고 그 구조를 예측해 봤습니다.

그래서 만들어진 식이 바로 아래에 있는 뭔가 좀 복잡해 보이는 식인데요.

 

주목할 것은 이 식의 어려움이나 이 식이 나타내는 어떤 그런 복잡성이 아니라 저 당초에 알 수 없는 4개의 숫자를 이용해서 아무런 근거 없이 이 식을 유도해 낸 그 집요함과 그 아름다움에 있습니다.

 

 

이 사람은 바로 스위스의 수학자이자 고교 교사로 근무했던 발머입니다.

발머가 이 4개의 숫자를 어떻게 알았는지는 우리가 문헌상으로는 알 수 없지만 

이 식에서 저 n에다가 2만 집어넣고 m에 3 4 5 6을 집어넣었을 때 이 4가지의 숫자가 나온다고 하는 그 주식성을 알아냈다고 하는 것은 정말 놀라운 발견이었고, 

물질의 근본을 탐구하는 가장 아름다운 학문인 양자 역학을 토대를 만들었던 닐스 보어가 이 발머의 공식을 보고 엄청난 영감을 얻어서 물질의 근원에 대한 아이디어를 얻어냅니다.

 

이 보어가 알아낸 것은 바로 수소가 품은 전자가 수소 안에서 어떻게 운동하는지, 

또 에너지는 어떻게 흡수되고 방출되는지에 관한 연구를 하는 과정에서 

이런 전자와 같은 작은 세계의 입자들이 기존의 물리학의 지식과는 다소 어긋나는 새로운 물리학의 필요성을 인식하게 되었고, 그 필요성 덕분에 양자 역학이 세상에 알려지게 되었습니다.

 

 

그러니까 양자역학의 경의로움은 사실 눈에 보이지도 않는 아주 작은 세계의 물리학을 

지금 보이시는 수소 스펙트럼처럼 이런 그림자로부터 발생한 어떤 그 오묘하고 수학적인 원리로부터 우리가 보이지 않는 그 세계의 정보들을 알 수 있다는 것에 거기에 바로 이 양자 역학의 아름다움이 있습니다.

 

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그렇다면 그 전자들, 그리고 원자액들, 미립자들 그리고 빛, 알갱이들 이런 식으로 우리가 양자라고 이야기하고 있는 그 양자 역학이 설명하는 그 대상들, 이런 대상들의 어떤 그 세계를 다루는 양자역학에는 대표적으로 어떤 원리들이 존재하고 있을까요?
이런 작은 친구들은 입자의 특성과 파동의 특성이 동시에 나타난다는 성질을 가지고 있습니다.
입자라고 한다면 우리가 눈으로 볼 수 있는 농구공, 축구공 이런 것들처럼 어느 경계가 분명히 존재하는 그런 존재들입니다.
그런데 파동이라고 하면 우리가 파동의 경계를 분명히 알 수 있을까요?

그렇지는 않아 보입니다.

 

게다가 파동은 2개의 파동이 합쳐진 다음에 분리도 완벽하게 되는 뭔가 이런 에너지의 덩어리입니다.

그런데 이런 양자적인 존재들 아주 작은 존재들은 입자의 성질 경계를 가지고 있는 그런 듯하면서도 파동의 성질, 그것들이 중첩되거나 혹은 어디에 존재하는지 모른다거나 하는 성질을 동시에 가집니다.

앞에서 보여드렸던 전자선과 X선의 회절 무늬가 비슷했던 것처럼 말이죠.

 

 

이것을 입자와 파동의 이중성이라고 부릅니다. 그리고 또 이런 작은 친구들이 지금 어떤 상태에 있는지 예를 들면 이 작은 친구들의 위치가 어디인지 아니면 이 작은 친구들이 어떤 움직임을 보이려고 하는지, 혹은 이 작은 친구가 빛이라면 이 빛의 편광 상태가 어떤지 혹은 이 물체의 스핀이 어떤지 아주 작은 존재들의 자성을 띠는 스핀이라고 하는 것이 어떤 상태인지 이런 것들을 정확하게 알 수가 없으며 다만 그 상태들의 경우의 수들이 존재한다.
그리고 이것이 모두 확률적으로 몇 퍼센트 몇 퍼센트 몇 퍼센트로 동시에 모두 존재한다라고 하는 불확정성의 원리, 그리고 확률 해석이라고 하는 원리가 존재합니다.

 

그리고 또 하나 이런 작은 친구들은요. 마치 이 친구를 담고 있는 어느 그릇이 있어서요.
이 그릇에서 이 친구가 진동을 하고 있다고 생각을 해볼게요.
요 진동이 이 그릇보다 작아서 바깥으로 절대 나갈 수 없는 그릇을 상상해 본다면 이 양자 친구들은 이 바깥에 존재할 수 있는 확률을 우리가 계산만 해낼 수 있다면 실제로 그 양자가 바깥에 절대로 나갈 수 없는데도 바깥으로 나가는 그런 기묘한 일들이 일어난다고 합니다.
이것을 우리는 양자 터널링이라고 부릅니다. 

 

 

게다가 마지막으로 이런 작은 친구들은 서로가 가지고 있는 다양하게 중첩돼 있는 다양한 특징들을 서로 상호 교환할 수 있다고 합니다.
이것을 우리가 양자 얽킴이라는 개념으로 부르는데요.

 

두 개의 양자가 얽혀 있는 어떤 양자계가 서로의 한 상태가 결정되면 그 다른 같은 양자개 안에 포함된 그 다른 양자의 상태가 바로 결정된다는 이 양자 얽힘도 이 양자 존재들의 기묘한 특징들 중에 하나입니다.

 

양자가 이렇듯 기묘한 특징들을 여러 개 가지고 있다 보니 양자역학이 정립되고 얼마 지나지 않아서 이것을 공학적으로 그리고 기술적으로 활용할 수 있는 아이디어들이 속속들이 나타났지만 사실은 과학 실험 환경에서 이런 아이디어들은 다 구현이 되고 거기에서만 쓰이게 되었습니다.

 

그 이유는 무엇이냐면 첫 번째로는 그 기술의 난이도가 매우 높기 때문입니다.

양자라고 하는 것을 유지할 수 있는 기술의 난이도도 매우 높고요.

우리가 양자 자체를 다루는 기술의 영역도 매우 고도의 기술을 요합니다.

그렇기 때문에 경제적 투자가 이루어지기에는 막대한 비용이 소모되면서 이것을 또 사회가 양자 기술을 필요로 해야 된다는 그 필요성이 제기될 수 있습니다.

이 중에 제일 중요한 것은 사회적 필요성이겠죠. 사회가 수요를 만들어야 기술에 투자가 이루어지고 그 기술이 진보할 수 있는 것처럼 말입니다. 이제는 사회가 양자 기술을 필요로 하는 것 같은데요.

그 이유는 대표적으로 양자 컴퓨터라고 할 수 있을 것 같습니다.

 

 

기존에 해결할 수 없는 컴퓨터의 문제를 양자 컴퓨터가 해결할 수 있을 것만 같은 가능성 때문인데요.
그 가능성은 바로 이 양자 상태 중 하나인 큐빗이라고 하는 양자 중첩 상태를 이용해서 만든 정보 처리 기본 소자에 있습니다.
이 큐빗을 활용해서 정보를 처리할 경우 새로운 알고리즘으로 컴퓨터를 만들 수 있는데요.

 

그 새로운 알고리즘을 연구단에서 피터 쇼어와 같은 학자들이 미리 연구를 해본 결과 기존의 컴퓨터가 풀지 못했던 RSA 소수 소인수분의 문제 같은 아주 어려운 문제, 기존 컴퓨터로는 굉장히 오랜 시간이 걸리는 문제를 빠르게 해결할 수 있는 가능성을 열었고요.

 

또 양자 시뮬레이션 같은 단백질 폴딩 문제라든지 재료 공학에 쓰이는 재료의 분석 문제라든지 이런 것들을 더 잘할 수 있는 시뮬레이션을 구현할 수 있다는 수요가 있었습니다.

때문에 양자 컴퓨터가 수요가 생기고 각광을 받고 있습니다.

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또 하나는 바로 양자 암호 그러니까 기존의 RSA 암호가 붕괴될 위기에 처했기 때문에 발생하는 수요 때문에 나타난 암호인데요.

무작위로 생성된 비밀번호를 서로가 2개의 통신 네트워크 상에서 교환하는 것으로 아이디어를 구현할 수 있습니다.

두 양자 상태를 얽혀놓은 다음에 한쪽에서 암호를 생성하고 그 암호가 즉각적으로 다른 쪽에 암호를 전달해서 서로만 비밀리에 교환할 수 있는 양자 키 분배 시스템을 말하죠.

 

이 양자 얽힘을 이용해서 만든 양자 키 분배를 이용하면 중간에 이 정보를 누가 감청한다거나 도청하려고 할 경우 이 불확정성 원리에 의해서 그 정보 송신과 수신자의 정보가 다르게 측정되어서 양자 암호의 도청을 찾아낼 수 있다고 합니다.

 

 

그러니 기존에 있었던 어떤 암호 문제를 이런 새로운 양자 기술로 보안을 강화하고 해결할 수 있다는 그런 해결책으로서 각광받고 있습니다.

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그리고 마지막으로 이 양자를 이용한다는 것은 결국에 아주 작은 원자보다도 작은 무언가에 대해서 발생하는 어떤 작은 신호조차도 감지할 수 있는 무언가 힌트를 얻을 수 있다는 것으로 착안을 해서 아주 작은 세계를 측정하기 위한 현미경 기술로도 쓰일 수 있고요.

 

 

그리고 우리가 시간을 측정할 때 원자 안에 있는 전자들의 상태를 이용해서 그 규칙성을 활용해서 아주 정밀한 시간을 측정하는 광격자 시계라든지 

우리 몸 안에 들어 있는 수소 수소 원자핵에 들뜬상태 그 수소 원자에게 스핀 상태에서 발생하는 정보를 매우 정밀하게 측정해서 우리 몸 안에 있는 정보를 파괴 없이 검사하는 MRI 기술 

그리고 질소 원자 nv 센터를 이용해서 아주 작은 중력을 감지하는 양자 중력계나 아주 작은 자기장을 감지하는 양자 자기 장계 같은 것들을 만들어내면 우리가 보고 듣지 못했던 더 다양한 것들을 볼 수 있는 양자 센서라고 하는 것을 만들어낼 수 있습니다.

 

 

그렇기 때문에 이 양자 센서 또한 양자 센싱을 위해서 굉장히 중요한 아이템이 될 것 같습니다.

 

이렇듯 양자 기술은 사회적 수요에 힘입어서 최근 활발한 투자가 이루어지고 있고 기술의 진보 속도는 그 어느 때보다도 빠르게 발전하고 있습니다.

특히 양자 컴퓨터와 양자 보안 기술은 국력과 안보에 결부되어 있기 때문에 소리 없는 전쟁과도 같은데요.

우리가 무선 통신 스마트폰을 사용할 때 전자기파의 송수신의 원리를 모르고 사용하고 있는 것처럼 사실 양자 기술을 위해서 우리가 양자 역학을 전부 다 면밀히 이해할 필요는 없다고 봅니다.

하지만 우리가 양자 역학에 대해서 혹은 양자 기술에 대해서 관심을 가져야 되는 이유는 

그 양자 역학이 때때로 주술적인 신비로움과 연관되어서 잘못 사용되고 있는 것 같다는 생각이 듭니다.

과거 전기와 자기가 대중화되기 전에는 호박이나 자철석이 주술에 사용되기도 했던 것처럼 

이 양자 기술이 대중화됨에 따라 이와 같은 신화적 시각보다는 이 양자 세계를 좀 더 경의롭게 아름답게 바라볼 수 있었던 그 자연의 수학적 원리에 대한 경의로움, 

여기에 집중해서 이 호기심을 가지고 양자 기술을 바라본다면 우리가 좀 더 양자 기술을 볼 때 재미있고 흥미롭게 볼 수 있을 거라고 생각합니다.

감사합니다.