원자 세계의 양자역학을 현실로…노벨상 받은 양자컴 선구자들 [김윤수의 퀀텀점프]

올해 노벨 물리학상은 ‘거시적 양자역학 현상’을 발견한 미국 과학자 세 사람 존 클라크 버클리 캘리포니아대 교수, 미셸 데보레 샌타바버라 캘리포니아대 교수와 존 마티니스 교수에게 주어졌습니다. 이들의 공로는 오늘날 양자컴퓨터 시대를 여는 직접적 계기가 됐다고 해도 과언이 아닙니다. 실제로 이들 중 두 사람은 일찍이 구글에 영입돼 글로벌 양자컴퓨터 경쟁을 주도해왔죠.

양자역학은 원자나 그보다 작은 전자의 움직임을 이해하기 위해 탄생한 학문입니다. 아이작 뉴턴이 18세기에 정립한 고전역학은 일상의 사물이나 달과 지구 같은 천체 운동을 이해시켜줬지만 그보다 훨씬 작은 원자나 전자 같은 작은 입자에게는 다른 도구가 필요했던 것이죠. 작은 입자는 동시에 여러 위치에 확률적으로 분포할 수 있고(양자중첩) 먼 거리에서도 즉각적으로 상호작용하는(양자얽힘) 등 일상의 사물과는 다른 독특한 양상을 보입니다.

하지만 입자가 외부 영향을 받으면 이 같은 양자역학 상태는 왜곡됩니다. 외부 영향은 빛이나 공기 같은 다른 입자의 작용까지 다양합니다. 입자를 빛으로 관측하거나 공기와 맞닿거나 수많은 입자들이 결합해 커다란 물질을 이룰수록 외부 영향은 세집니다. 인간에게 익숙한 일상 세계에서는 입자에게 미치는 외부 영향이 너무 세서 양자중첩이나 양자얽힘 같은 현상도 사실상 사라진다고 할 수 있을 정도로 아주 희미해집니다.

다시 말해 거시 세계에서 양자역학 현상을 발견하기란 쉽지 않습니다. 물리학에서는 인간에게 익숙한 m 단위나 이보다 큰 천체 규모의 세계를 거시 세계, 작은 입자 크기인 0.1㎚(나노미터·10억 분의 1m) 정도 규모의 세계를 미시 세계로 구분합니다. 두 세계의 운동 규칙을 설명하는 학문 역시 고전역학과 양자역학으로 분리돼 있고요. ‘양자역학’ 하면 먼저 떠오르는 ‘슈뢰딩거 고양이’ 사고실험은 두 세계 간 괴리를 잘 보여줍니다. 미시 세계의 기묘한 현상을 거시 세계로 확장하면 살아있는 동시에 죽은 고양이도 존재한다는 상식에 어긋나는 결론에 이르기 때문이죠.

그럼에도 불구하고 거시 세계에서도 ‘보이지 않는’ 양자역학이 작용하고 있어 이를 이해할 필요가 있습니다. 가령 오늘날 반도체 칩(IC·집적회로)은 점점 집적화할수록, 즉 작아질수록 ‘양자 터널링’ 효과를 고려해야 합니다. 양자 터널링은 입자가 고전역학적으로는 불가능한 ‘에너지 장벽’을 통과하는 현상입니다. 마치 공이 벽을 통과하듯 입자도 물리적 벽이 됐든 전자기장이 됐든 강한 에너지로 뚫거나 뛰어넘어 가야만 하는 에너지 장벽을 통과하는 일이 가끔 발생한다는 것이죠.

이는 양자역학적으로 입자의 위치가 확률적으로 여러 위치에 분포하는 양자중첩 현상의 일부입니다. 벽 너머에도 입자가 존재할 확률이 완전한 0은 아닌 채 미미하게나마 있기 때문에 수많은 입자 중 하나 정도는 정말로 벽 너머에서 관측될 수 있는 것이죠. 전자회로에서는 전자가 정해진 전선을 이탈해 회로 전체에 왜곡을 줄 수 있다는 뜻입니다.

또다른 예로 양자컴퓨터를 들 수 있습니다. 양자컴퓨터는 입자가 가질 수 있는 두 상태를 0과 1의 디지털 정보에 대응시키고 두 상태의 양자중첩을 통해 0과 1을 동시에 계산하는 원리를 가졌습니다. 0과 1의 상태를 동시에 가지는 입자를 큐비트라고 하죠. 큐비트를 구현하고 계산에 이용하는 양자컴퓨터는 어쨌든 거시 세계의 시스템입니다.

거시 세계로 좀처럼 넘어오기 어려운 미시 세계의 현상으로 거시 세계의 양자컴퓨터를 작동시켜야 하는 셈이죠. 실제로 구글·IBM 같은 빅테크들은 초전도체를 활용해 그 안의 원자들이 두 가지의 에너지 크기만을 가질 수 있게 설계한 후 이 두 에너지 상태를 0과 1에 대응시켜 큐비트를 구현하고 있습니다. 이른바 초전도 양자컴퓨터입니다.

올해 노벨 물리학상 수상자들이 발견한 거시적 양자역학 현상은 말그대로 거시 세계에서 일어나는 양자역학 현상입니다. 거시 세계에서 양자역학을 이해하고 양자컴퓨터 이론을 세울 토대가 되는 발견을 해낸 셈이죠. 이들은 1984년 거시적 시스템인 초전도체 전기 회로에서 다양한 수치를 측정하며 양자 터널링과 에너지 양자화 현상을 발견하는 데 성공했습니다. 이 회로에서 전자들이 기존 이론으로는 절대 넘을 수 없는 절연체를 넘어 전기가 흐르는 것을 보고 양자 터널링을 확인했습니다.

또 에너지 양자화는 입자가 에너지 준위(레벨)라고 부르는 정해진 에너지 크기만을 가질 수 있는 현상입니다. 가령 일상의 사물이 1부터 100까지 다양한 에너지를 가질 수 있다면 원자나 전자는 5, 10, 15, 20… 같은 식으로 불연속적인 몇몇 에너지만을 가질 수 있고 그외 6이나 19 같은 ‘애매한’ 에너지는 가질 수 없죠. 초전도 양자컴퓨터의 0과 1에 대응되는 두 에너지 크기도 에너지 양자화를 통해 구현된 두 레벨입니다. 수상자 세 사람은 초전도체 회로에서 특정한 양의 에너지만이 흡수되거나 방출되는 것으로서 에너지 양자화도 확인했습니다.

이들의 연구는 실제 양자컴퓨터 개발로도 이어졌습니다. 마티니스 교수는 2014년 구글에 합류해 2019년 양자컴퓨터 ‘시커모어’ 개발을 이끌었습니다. 시커모어는 구글이 슈퍼컴퓨터를 능가하는 성능인 ‘양자우위’를 달성한 첫 양자컴퓨터라고 내세운 바 있습니다. 드보레 교수도 구글 퀀텀 AI 연구소에서 수석과학자를 겸임하고 있습니다.