■ 아인슈타인이 몰랐던 양자역학, 한국인이 해결!

■ 아인슈타인이 몰랐던 양자역학, 한국인이 해결!

 

● 아인슈타인(Einstein)도 이해 못한 비밀, 한국 과학자가 100년만에 풀었다

 

인간은 뉴턴(newton)의 고전 역학으로 '거시 세계'의 비밀을 알아 낸 후, 신(神)의 지위인 하늘과 땅을 엿보는 듯 했다. 그러나, 전기와 화학 등의 등장과 함께 '미시 세계'의 벽에 부딪히고 만다. 도대체 전기가 왜 어떻게 빛과 열을 만들어 내는 지, 여러 가지 물질들이 왜 서로 섞여 독특한 성질이 만들어지거나 분류돼 다른 물질이 되는 지, 고전역학으로는 전혀 이해할 수가 없었던 것이다. 그래서, 100년 전에 태동한 것이 양자역학(양자물리학 또는 양자과학. Quantum mechanics)이다. 물리적으로 가장 작은 단위(원자)를 구성하는 핵과 전자의 움직임을 연구하는 양자역학은 이후 급속도로 발달한 원자력 공학, 전자 공학, 고분자 공학 등 현대 과학기술의 이론적 토대가 됐다. 그러나, 양자역학은 여전히 신비에 휩싸여 있다. '개념'은 있지만 누구도 '이해'하거나 검증하지 못한 이론들이 많다. 오죽했으면 양자물리학자들 조차 "양자역학을 이해한 사람은 전세계에 아무도 없다", "닥치고 계산이나 해라"는 말을 하고 있을 정도이다.

 

그 중에서도 대표적인 것이 1928년 덴마크의 물리학자 보어(Niels Bohr)가 제시한 전자가 입자와 파동의 특징을 동시에 함께 갖고 있다는 ‘상보성 원리’이다. 파동이면 파동이고 입자면 입자이지 두 가지 성질을 동시에 갖고 있다는 말은 도대체 무슨 소리인가? 우리가 아는 가장 천재적인 물리학자 아인슈타인(Einstein)조차도 죽을 때까지 이같은 이론을 인정하지 않았다. 아인슈타인은 1905년 빛이 입자로 구성되어 있다는 '광양자' 가설을 발표할 정도로 양자역학의 초석을 세운 학자였다.

 

● 아인슈타인(Einstein)은 '전자는 실재한다' 그리고, 그 세계는 '이해'가 가능한 곳이라고 주장했다. 아인슈타인(Einstein)은 보어(Niels Bohr)와 하이젠베르크(Heisenberg)가 내놓은 '코펜하겐(Copenhagen) 해석'을 정면으로 반대했다. ● 하지만, 코펜하겐(Copenhagen)은 양자 중첩. 양자 얽힘 등에 따라 확률로 정해지는 불확실성으로 가득 차 있기 때문에 인간의 '이해'가 불가능한 영역이라고 주장했다. ★ 슈뢰딩거(Schrödinger) 고양이 실험은 다음과 같다. 상자가 있고, 외부에서 안에 들여다볼 수 없다. 그리고, 고양이가 거기에 갇혀 있다. 방사성물질 라듐이 그 안에 있고, 라듐이 붕괴할 확률은 1시간 뒤 50%이다. 그럼, 1시간 뒤에 고양이는 살아있을까? 죽었을까? '상자를 열어보기 전에는 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 중첩되어 있다. 하지만, 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다' ★ 이것이 코펜하겐(Copenhagen) 해석'이다.

 

● 슈뢰딩거 고양이 논쟁 끝? 양자 역학 열쇠 찾은 한국 과학자

 

최근, 양자컴퓨터 실현이 초읽기에 들어설 만큼 양자과학이 진보했지만, 여전히 ‘양자 물체의 파동-입자 이중성 및 상보성’, ‘두 양자 물체의 파동 함수 얽힘’ 등 완전히 이해되지 않은 개념들이 많다. 특히 양자 물질의 상보성 원리인 파동-입자 이중성 측정은 양자과학에 필수적인 파동 함수의 중첩과 얽힘을 이해하는 근간이 된다.

 

● 양자물질의 파동-입자, 자체 개발 실험 장치에서 동시 측정 및 조절 증명

 

● 기초과학연구원(IBS)은 연구팀은 100년 동안 양자역학의 최대 난제로 꼽혀 온 양자 상보성 원리를 실험적으로 검증하는 데 성공했다. ★ 양자 물질의 상보성 원리인 파동-입자 이중성을 검증하려면, 파동성과 입자성을 각각 측정할 수 있는 양자역학적 복합시스템이 필요하다. 즉, 양자 입자를 만들어내는 장치, 양자 입자 위치 또는 경로의 탐지 장치, 중첩 상태의 양자 입자가 만들어내는 간섭 현상의 측정 장치 등이 갖춰져야 한다. 지금까지 여러 복합시스템이 이론적으로 제안되고, 일부는 실험까지 진행됐지만, 양자 물체의 상보성과 입자-파동 이중성을 완벽하게 검증할 수 있는 장치는 없었다. ★ 기초과학연구원(IBS) 연구진은 새로운 실험 시스템인 ‘얽힌 비선형 광자쌍 광원(ENBS)’을 자체 개발해 이 한계를 돌파했다. ENBS 시스템은 기존 측정 시스템들과 달리 실험적으로 얽힘 정도를 조절할 수 있었다. 즉, 양자 물체의 파동성과 입자성을 상보적 관계의 틀 안에서 실험적으로 조절하는 것이 가능하다.

 

1965년 노벨물리학상을 수상한 리차드 파인만(Richard Feynman)은 ‘양자역학의 본질은 이중틈(double-slit) 실험의 이해에 있다’ 라는 말을 남겼다. 이번에 새롭게 제안하고 자체 개발한 양자 얽힘 장치를 이용하여 양자역학의 신비로운 특성들을 좀 더 깊게 연구할 예정이다. 양자 복합 시스템 실험 장치를 이용한다면, 아직까지도 미지의 영역으로 남아있는 여러 양자 역학적 난제를 해결할 실마리를 찾을 수 있을 것이다.

 

국내 연구진은 물체의 파동성과 입자성 중 하나의 성질만 하나의 측정 장치로 알 수 있다는 기존 정설을 뒤엎는 실험 결과를 발표했다. 현대 물리학의 근간을 이루고 있는 양자역학 난제 해결에 한 발짝 더 다가섰다는 평가이다. 기초과학연구원(IBS)은 2021년 08월 19일 분자 분광학 및 동력학 연구단 조민행 연구단장(고려대 화학과 교수), 윤태현 연구위원(고려대 물리학과 교수) 연구팀이 양자물질의 파동-입자 정량적 상보성에 대한 새로운 모델을 제안하고, 관련 장비를 자체 개발한 후, 양자물질의 파동-입자 정량 측정 및 조절을 실험적으로 검증했다고 밝혔다.

 

1928년 덴마크 물리학자 보어(Niels Bohr)는 양자물질이 입자와 파동의 특징을 동시에 함께 갖고 있다는 '상보성 원리'를 제안했다. 상보성의 원리는 지난 100년간 이론적. 개념적으로 물리학계의 확립된 원칙으로 자리 잡고 있었지만, 입자와 파동의 배타적 특성 때문에 두 가지 특성을 한 가지 실험 장치에서 동시에 관찰하는 것은 불가능에 가까웠었다. 보어(Niels Bohr)가 양자 물질의 상보성 원리를 최초 제안 이후, 약 100년 만에 한국 과학자가 파동-입자 상보성의 정량적 관계를 직접 조절하면서 측정해냈다.

 

그동안, 입자성을 확인하고 싶은 실험에서는 입자성만 관찰했고, 파동성을 관찰하고 싶은 실험에서는 파동성만 관찰할 수 있던 것이다. 최근, 양자통신, 양자컴퓨터 등 양자 역학을 기본으로 한 다양한 과학적. 산업적 발전이 진행돼왔지만, 양자역학과 관련해서는 이같이 아직도 설명되지 않는 난제가 여럿 존재한다. 하지만, 연구팀은 새로운 실험 시스템인 '얽힌 비선형 광자쌍 광원'(ENBS)을 개발했고, 양자물질의 입자성과 파동성을 한 가지 실험 장치에서 동시에 측정하는 데 성공했다. 연구팀은 두가지 특성의 얽힘 정도를 조절하는 방식으로 배타적 성질 모두를 하나의 장치에서 측정할 수 있었다.

 

윤태형 연구위원은 "반도체, LED 등 다양한 산업에서 양자현상을 활용하고 있는데, 그 밑바닥에는 입자성과 파동성이라는 특성이 있다. 입자성 파동성 두 가지 특성이 동시에 나타남을 확인하고, 이를 조절하면서 정량적으로 측정한 실험은 그동안 없었다" 라고 설명했다. 이어 "이번 실험은 입자성과 파동성을 조절하면서 관찰했다는 것이 특히 중요하다"며 "산업적 적용을 위해 어떤 양자물체의 파동성이나 입자성을 더 키우거나, 조절할 수 있다는 의미이다"라고 덧붙였다. 윤태형 연구위원은 "이번 연구에서 제안, 검증한 양자 복합시스템 실험장치를 이용하면, 아직까지도 미지의 영역으로 남아있는 여러 양자역학적 난제를 해결할 실마리를 찾을 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구성과는 2021년 08월 19일 국제학술지 '사이언스 어드밴시스'(Science Advances) 온라인판에 게재됐다.