2012 노벨 물리학상

[지고지순]

그들이 노벨물리학상을 공동 수상한 이유

9 October 2012 Last updated at 09:52 GMT, BBC

세르주 아로슈는 프랑스 대학, 데이비드 와인랜드는 미국 연방표준기술국 소속이다.

올해 노벨물리학상은 빛과 물질을 가장 기초적인 수준에서 연구한 두 과학자들에게 돌아갔다.

프랑스의 세르주 아로슈(Serge Haroche)와 미국의 데이비드 와인랜드(David Winelad)는 8백만 스웨덴 크로나(75만 파운드, 혹은 120만 달러) 상당의 노벨상을 공동 수상한다.

그들의 "양자 광학" 연구는 단일 광자나 이온을 다루는 것인데, 각각은 빛과 물질의 기본 단위이며, 새로운 물리학 연구 분야를 열었다. 그들의 실험 방법은 서로 정반대 방향으로 같은 목적을 달성했다. 와인랜드(Wineland)는 포착된 이온을 광자로 제어 및 측정하고, 아로슈(Haroche)는 포착된 광자를 이온으로 제어 및 측정한다.

다음은 스웨덴 왕립 과학 아카데미(Royal Swedish Academy of Sciences) 사이트(www.nobelprize.org)에서 발표한 내용이다.

- 2012년 노벨물리학상은 "개별 양자 시스템의 측정과 조작을 가능케 한 획기적인 실험 방법을 내놓은" 공로로 세르주 아로슈(Serge Haroche)와 데이비드 와인랜드(David Winelad)에게 공동으로 수여된다.

그리고 다음은 아로슈(Haroche)와 와인랜드(Wineland)가 왜 노벨물리학상을 받았는지를 설명한다.

양자 세계의 입자 제어

세르주 아로슈(Serge Haroche)와 데이비드 와인랜드(David Winelad)는 각각 개별 입자들의 양자역학적 성질을 잃지 않고도 측정 및 조작할 수 있는 획기적인 방법을 발명 및 개발하였다. 그들 이전까지는 불가능하다고 여겨졌던 방법이었다.

노벨상은 입자를 마음대로 조작한 이들에게 수여되었다. 수상자들은 포착된 개별 입자들을 양자 물리학 법칙에 따라 행동하도록 '조련'시켰다.

아로슈(Haroche)와 와인랜드(Winelad)는 개별 양자 시스템을 파괴하지 않고도 직접 관찰할 수 있음을 증명함으로써 양자 물리학 실험의 새로운 시대를 열었다. 그들은 천재적인 실험 방법을 통해서 매우 섬세한 양자 상태를 측정 및 제어할 수 있었으며, 이로써 양자 물리학에 기반을 둔 새로운 타입의 슈퍼 고속 컴퓨터(양자 컴퓨터)의 연구 기반을 만들었다. 또한 이 방법들을 통해서 극도로 정밀한 시계를 만들 수 있게 되었는데, 기존 세슘 시계보다 100배 이상 정밀한 미래의 새로운 표준 시계를 만들 수 있는 기반이 마련되었다.

빛이나 물질을 구성하는 입자들에는 고전 물리학 법칙이 적용되지 않으며, 대신 양자 역학을 사용해야 한다. 그러나 단일 입자들은 주변 환경으로부터 쉽사리 분리되지 않으며 외부 세계와 상호작용을 하자마자 신비로운 양자적 특성을 잃게 된다. 따라서 양자 역학에서 예측되는 외견상 기묘한 현상들을 직접 관측할 수는 없고, 연구원들은 대신 '사고 실험'(thought experiments)을 할 수 있을 뿐인데, 사고 실험을 통해 기묘한 현상들이 나타난다.

양자 광학 분야에서 두 노벨상 수상자들의 연구는 빛과 물질 사이의 근본적인 상호작용을 연구하는 것으로써 1980년대 중반 이후 상당한 발전을 이룩했다. 그들의 방법들은 많은 점에서 공통점이 있다. 데이비드 와인랜드(David Wineland)는 전기적으로 대전된 원자나 이온을 포착하여 빛, 즉, 광자를 가지고 제어 및 측정한다. 반면 세르주 아로슈(Serge Haroche)는 정반대의 접근 방법을 취한다. 그는 포착된 광자, 혹은 빛의 입자들 쪽으로 원자를 보내어 이들을 제어 및 측정한다.

트랩 내 단일 이온들의 제어

콜로라도 볼더(Boulder) 소재 데이비드 와인랜드(David Winelad)의 실험실에서는, 전기적으로 대전된 원자, 즉, 이온들이 전기장으로 주변이 둘러싸인 트랩 안으로 포착된다(아래 그림 참조). 실험은 진공 중에 극도로 낮은 온도에서 진행되므로, 입자들은 주변의 열이나 복사선으로부터 고립된다.

와인랜드(Wineland)의 획기적 실험 배경에 숨은 비결은 거의 예술적으로 숙달된 레이저빔 이용 및 펄스 생성 기술이다. 레이저는 포착된 이온의 열운동을 억제하느라 이용되는데, 이온을 가장 낮은 기저 에너지 상태에 놓이게 함으로써 포착된 이온으로 양자 현상을 연구할 수 있다. 조심스럽게 조절된 레이저 펄스로 이온을 중첩 상태에 놓이게 하는데, 중첩 상태란 두 가지 서로 다른 상태가 동시에 존재하는 것을 말한다. 예를 들면 한 이온이 두 가지 서로 다른 에너지 준위를 동시에 점유할 수 있도록 하는 것이다. 먼저 기저 에너지 준위로부터 시작하되 레이저 펄스로 이온을 살짝 부추겨 다음 에너지 준위로 천이하는데 필요한 에너지의 반 정도만 가해주면 결과적으로 이온은 기저 에너지 준위와 차 상위 에너지 준위 사이의 중간에 위치하게 된다. 똑같은 확률로 두 에너지 준위로 갈 수 있게 되는 것이다. 이 같은 방법으로 이온 에너지 상태의 양자 중첩을 연구할 수 있게 되는 것이다.

콜로라도 볼더(Boulder) 소재 데이비드 와인랜드(David Winelad)의 실험실에서는, 전기적으로 대전된 원자, 즉, 이온들이 위 그림처럼 전기장으로 주변이 둘러싸인 트랩 안으로 포착된다. 와인랜드(Wineland)의 획기적 실험 배경에 숨은 비결은 거의 예술적으로 숙달된 레이저빔 이용 및 펄스 생성 기술이다. 레이저는 이온을 기저 에너지 상태에 놓이게 함으로써 포착된 이온을 가지고 양자 현상을 연구할 수 있다.

트랩 내 단일 광자들의 제어

반면 세르주 아로슈(Serge Haroche)와 그의 연구 그룹은 또 다른 방법으로 양자 세계의 미스터리를 밝혀내었다. 파리의 실험실에서는 전자파 광자들이 작은 공동(cavity) 내부에 놓인 약 3 센티미터 떨어진 두 반사경 사이를 왕복한다(아래 그림 참조). 반사경들은 초전도 소재로 만들어졌고 절대온도 0도 근처까지 냉각된다. 이들 초전도 반사경들은 세계에서 가장 밝다. 반사도가 너무도 좋아서 단 하나의 광자가 공동 내부에서 흡수 또는 소멸되기 전까지 거의 10분의 1초 정도까지 반사경 사이를 왕복할 수 있다. 광자의 이 같은 기록적인 수명은 거리로 따지면 4만 킬로미터에 해당하는데, 3 센티미터 간격의 두 반사경 사이를 왕복한 총 거리가 지구를 한 바퀴 돈 정도의 거리에 해당하는 것이다.

이 시간 동안 포착된 광자로 여러 가지 양자 조작을 수행될 수 있다. 아로슈(Haroche)는 특별히 준비된 원자들, 이른바 리드버그 원자들(Rydberg atoms, 스웨덴의 물리학자 '요하네스 뤼드베리'[Johannes Rydberg]를 본뜬 이름)을 이용하여 공동 내 '전자파 광자'(microwave photon)를 제어 및 측정한다. 리드버그 원자는 직경이 약 125 나노미터이며, 보통의 원자들보다 약 1천배 크다. 이 거대한 도넛 모양의 리드버그 원자들이 공동 내부로 하나씩 조심스럽게 선택된 속도로 보내지면, 전자파 광자와의 상호작용이 미리 조절된 방식으로 일어난다.

리드버그 원자는 공동 내를 건너질러 빠져나가는데, 그 뒤로 전자파 광자를 남긴다. 그러나 광자와 원자 사이의 상호작용은 원자의 양자 위상(phase)에 변화를 일으킨다. 즉, 원자의 양자 상태를 파동이라 생각하면, 파동의 마루와 골이 이동하는 것이다. 이 같은 위상 이동은 원자가 공동을 빠져나올 때 측정될 수 있고 따라서 공동 내부에 광자의 존재 여부를 밝혀준다. 광자가 없으면 위상 이동이 없다. 이렇게 아로슈(Haroche)는 단일 광자를 파괴하지 않고도 측정할 수 있다.

비슷한 방법으로 아로슈(Haroche)와 그의 그룹은 공동 내부의 광자 수를 헤아릴 수 있는데, 아이들이 그릇 안에 구슬을 세는 것과 같다. 쉬운 소리 같지만 비범한 재주와 기술을 요한다. 광자는 구슬 같지 않아서 외부와 접촉하면 즉시 소멸하기 때문이다. 광자를 세는 방법을 찾는 동안, 아로슈(Haroche)와 동료들은 개별 양자 상태의 전개를 단계별로 실시간 추적하는 방법을 고안하게 되었다.

파리에 있는 세르주 아로슈(Serge Haroche)의 실험실에서는 진공 및 절대 온도 0도에 가까운 초저온에서 전자파 광자들이 작은 공동(cavity) 내부의 약 3 센티미터 떨어진 두 반사경 사이를 왕복한다. 반사경의 성능은 너무도 좋아서, 광자 하나가 공동 내부에서 흡수 또는 소멸되기 전까지 거의 10분의 1초 정도까지 반사경 사이를 왕복할 수 있다. 그동안에 포착된 광자로는 파괴되지 않은 채로 많은 양자적 조작이 가능하다. 보통의 원자보다 약 1천배나 큰 리드버그 원자가 공동 내부로 하나씩 투입되면서 공동 내부의 광자 존재 여부를 밝혀낼 수 있다.

양자 역학의 역설

양자 역학은 맨 눈으로 볼 수 없는 미시 세계를 기술하는데, 거시적 세계에서 우리가 예측하거나 경험하는 물리 현상과 상반되는 사건들이 발생한다. 양자 세계의 물리학은 본질적인 어떤 불확정성 혹은 무작위성을 갖는다. 한 예로 양자 중첩이란 것이 있는데, 양자 입자는 서로 다른 여러 상태에 '동시'에 존재할 수 있다. 보통 우리는 구슬이 동시에 '여기'에도 있고 '저기'에도 있다고 생각하지 않지만, 그러나 '양자' 구슬은 그럴 수 있다. 이 구슬의 양자 중첩 상태는 우리가 구슬을 측정할 때 정확히 어떤 확률로 여기 혹은 저기 있을 수 있는지를 우리에게 알려주는 것이다.

우리는 왜 우리 세계에서 이런 이상한 면을 인식하지 못하는 것일까? 어째서 우리는 일상에서 양자 구슬의 중첩 상태를 관측하지 못하는 것일까? 오스트리아의 물리학자이자 노벨물리학상 수상자(1933년)인 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 이 의문점과 씨름했다. 다른 많은 양자 이론의 선구자들처럼, 그는 이것이 의미하는 바를 이해하고 해석하려고 노력했다. 1952년 늦게 슈뢰딩거는 이렇게 적었다. "우리는 단 하나의 전자나 원자, 혹은 작은 분자를 결코 실험할 수 없다. 그래서 때로 우리는 사고 실험(thought experiments)으로 그런 실험을 한다고 가정한다. 이는 언제나 터무니없는 결과를 수반하게 된다..."

미시 양자 세계와 일상의 거시 세계 사이를 오가는 터무니없는 결과를 예시하기 위해서 슈뢰딩거(Schrodinger)는 고양이를 등장시킨 사고 실험을 설명했다. 슈뢰딩거(Schrodinger)의 고양이는 외부 세계와 완벽하게 고립되어 상자 안에 들어있다. 상자에는 또한 치명적인 청산가리가 들어있는데, 함께 넣어둔 어떤 방사능 원자의 붕괴 이후에만 배출되도록 한다.

슈뢰딩거(Schrodinger)의 고양이. 1935년 오스트리아의 물리학자이자 노벨물리학상 수상자인 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)는 미시 양자 세계와 일상의 거시 세계 사이를 오가는 터무니없는 결과를 예시하기 위하여 상자 안의 고양이 한 마리를 이용한 사고 실험을 설명했다. 양자 시스템, 입자, 원자, 그리고 다른 미시적인 것들은 두 가지 상태에 동시에 존재할 수 있으며 물리학자들은 이것을 상태의 중첩이라 부른다. 슈뢰딩거(Schrodinger)의 사고 실험에서 상자 안의 고양이는 중첩된 상태, 즉, 살아 있을 수도 있고 죽었을 수도 있다. 이제 당신이 상자 안을 들여다보면 당신은 고양이를 죽일 수도 있다. 양자 중첩 상태가 너무도 민감하게 외부 환경과 상호작용을 하므로 고양이를 보려는 가장 사소한 시도조차도 즉시 고양이의 두 가지 가능한 상태, 즉, 생과 사의 상태를 어느 한 쪽 상태로 '붕괴'시킨다.

방사성 붕괴는 양자 역학의 법칙에 따르는데, 이에 의하면 방사성 물질은 붕괴할 수도 붕괴하지 않을 수도 있는 중첩 상태에 놓인다. 따라서 고양이 역시 살아있을 수도 있고 죽었을 수도 있다. 이제 당신이 상자 내부를 엿보면, 당신은 고양이를 죽일 수도 있는데, 왜냐하면 양자 중첩 상태란 것이 워낙 외부와의 상호작용에 민감하여 고양이를 관찰하려는 가장 사소한 시도조차도 즉시 고양이의 두 가지 가능한 상태, 즉, 생과 사의 상태를 어느 한 쪽 상태로 '붕괴'시키기 때문이다. 슈뢰딩거(Schrodinger)의 견해로는 이 사고 실험이 터무니없는 결론을 초래하며, 나중에 그는 양자 혼란을 가중시킨데 대해서 사과하려고까지 했다고 한다.

2012년 노벨물리학상 공동수상자들은 '양자 고양이' 상태를 외부 세계와 만날 수 있도록 했다. 그들은 창의적인 실험을 고안해 냈으며, 매우 자세하게 측정 행위가 어떻게 실제로 양자 상태를 붕괴시키거나 중첩 특성을 잃게 하는지를 보일 수 있었다. 슈뢰딩거(Schrodinger)의 고양이 대신, 아로슈(Haroche)와 와인랜드(Wineland)는 양자 입자를 포착하고 '양자 고양이'와 같은 중첩 상태에 놓이도록 만들었다. 이 양자 객체들은 고양이처럼 크지도 않지만, 양자적 기준으로는 여전히 큰 객체들이다.

아로슈(Haroche)의 공동 내부에 있는 전자파 광자들은 동시에 서로 다른 위상들(phases)을 가질 수 있는 '양자 고양이' 상태에 놓인다. 마치 시계 방향과 반 시계 방향으로 동시에 움직이는 바늘이 달린 스톱워치와도 같다. 공동 내부의 전자파 장(場)은 리드버그 원자들로 감지한다. 그 결과는 또 다른 이해할 수 없는 양자 효과로 '양자 얽힘'(entanglement)이라는 것이다. 양자 얽힘도 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schrodinger)에 의해 설명되었는데, 직접 접촉하지 않고도 둘 이상의 양자 입자들이 서로 간의 특성을 읽거나 영향을 줄 수 있다는 것이다. 전자파 장(場)의 양자 얽힘과 리드버그 원자들은 아로슈(Haroche)로 하여금 공동 내부에 있는 '양자 고양이'의 생과 사를 알아낼 수 있게 하였다. 단계별로, 그리고 원자별로 '양자 고양이'의 중첩 상태가 잘 정의된 고전 물리학 상태로 천이하기 때문이다.

새로운 컴퓨터 혁명의 도래

많은 과학자들이 꿈꾸고 있는 이온 트랩의 가능한 응용 분야로 양자 컴퓨터가 있다. 현재의 고전적 컴퓨터는 가장 작은 정보의 단위가 비트(bit)인데, 1 또는 0의 값을 갖는다. 그러나 양자 컴퓨터의 기본 정보 단위는 양자 비트, 혹은 큐비트(qubit)라고 하는데, '동시'에 1 또는 0이 될 수 있다. 따라서 큐비트 2개는 동시에 4가지 값을 갖는다. 00, 01, 10, 그리고 11. 그리고 큐비트가 하나씩 추가될 때마다 가능한 상태는 2배씩 증가한다. 큐비트 n개는 2**n(2의 n승)개의 가능한 상태를 갖으며 단 300개의 큐비트로 구성된 양자 컴퓨터는 2**300(2의 300승)개의 값을 '동시'에 가질 수 있는데, 이는 우주에 존재하는 모든 원자의 숫자보다 크다.

* 원문 파일을 복사해 보니 '2의 n'승이 '2n'이 되었다. 그래서 컴퓨터가 좋아하는 표현 방식인 '2**n' 식으로 적는다.

와인랜드(Wineland)그룹은 세계 최초로 두 개의 큐비트로 된 양자 시스템 작동을 보여주었다. 제어 동작 또한 약간의 큐비트로 가능하므로 원칙적으로 더 많은 수의 큐비트로 그 같은 동작이 구현되지 못할 것이라 생각할 이유가 없다. 그러나 그 같은 양자 컴퓨터를 만들기 위해서는 실제로는 막대한 도전 과제가 있다. 두 가지 서로 상반되는 요구 사항을 만족해야 하는 것이다. 하나는 큐비트가 외부 세계와 적절히 고립되어야 한다는 것이고, 또 하나는 그러면서도 계산 결과를 전하기 위해서는 외부 세계와 통신을 해야 한다는 것이다. 아마도 양자 컴퓨터는 금세기에 만들어질 것이다. 그렇게 되면 지난 세기에 고전적 컴퓨터가 우리의 삶을 변화시킨 것처엄 금세기에 똑같이 근본적으로 우리 삶을 바꿔놓을 것이다.

새로운 시계

데이비드 와인랜드(David Wineland)와 그의 연구팀은 트랩 내부의 이온들을 이용하여 세슘 원자시계보다 백배는 정밀한 시계를 만들었다. 세슘 원자시계는 현재 우리가 시간을 측정하는 표준이다. 시간은 모든 시계를 표준 시계에 맞추거나 혹은 일치시킴으로써 유지된다. 그런데 세슘 시계는 전자파 범위에서 작동하는데, 와인랜드(Wineland)의 이온 시계는 가시광선을 사용한다. 따라서 '광(光) 시계'라 불러야 한다. 광 시계는 트랩 내부의 이온 한 개 혹은 두 개로 구성될 수 있다. 두 개의 이온이라면 하나는 시계로, 다른 하나는 이온의 상태를 파괴하지 않은 채로 시간을 읽는데 이용한다. 광 시계의 정밀도는 10**17분의 1 이상인데, 이것은 140억 년 전인 빅뱅 때 시간을 최초로 재기 시작했다고 가정할 때 오늘날 약 5초 정도 어긋난다는 의미이다.

이 정도의 정밀도라면 어떤 극단적으로 미세하고 아름다운 자연의 현상도 관찰될 수 있다. 즉, 시간 흐름의 변화라든가, 시공간을 구성하는 중력의 미세한 변화 등을 잴 수 있다. 아인슈타인의 상대성 이론에 따르면 시간은 운동과 중력에 영향을 받는다. 속도가 빠를수록 중력이 강해지지만, 시간은 느리게 간다. 우리가 이 같은 효과를 알아차릴 수는 없지만, 그러나 이 효과는 일상생활의 일부분이 되었다. 우리가 GPS로 내비게이션 할 때, 위성에 장착된 시계로부터 오는 신호로 시간을 맞추지만, 중력의 영향으로 수백 킬로미터 상공의 하늘에서는 지상보다 중력이 약간 작기 때문에 위성 시계는 정기적으로 교정된다. 광 시계의 경우는 시계의 속도가 초당 10 미터 이내로 변하더라도 시간의 변화 차이를 측정할 수 있으며, 혹은 매 30 센티미터 높이마다 중력의 차이를 감지하여 시간의 변화 차이를 측정할 수 있다.

광 시계. 이온 트랩의 실용적 용도로 세슘 원자시계보다 100배 정밀한 시계를 만들 수 있다. 세슘 원자시계는 현재 시간측정의 표준이다. 이온 두 개를 써서 하나는 시계로, 또 하나는 시계로 사용되는 이온의 상태를 파괴하지 않고 시간을 읽어내는데 사용된다.

* 더 자세하고 전문적인 내용을 알고 싶다면 스웨덴 왕립 과학 아카데미(Royal Swedish Academy of Sciences) 사이트(www.nobelprize.org)를 찾아보면 된다. '양자 세계의 입자 제어'에 대해서는 다음 두 저널에서 발췌된 것이다.

Monroe, C. R. and Wineland, D. J. (2008) Quantum Computing with Ions, Scientific American, August.

Yam, P. (1997) Bringing Schröinger’s Cat to Life, Scientific American, June.

* 세르주 아로슈(SERGE HAROCHE)와 데이비드 와인랜드(David Wineland)는 둘 다 1944년생이다. 프랑스인 아로슈(Haroche)는 모로코의 카사블랑카 태생으로 1971년 '피에르 에 마리 퀴리' 대학에서 박사학위를 받았고, 미국인 와인랜드(Wineland)는 위스콘신 주 밀워키 태생으로 1970년 하버드 대학에서 박사학위를 받았다.