상자 안에서 ‘살았기도 하면서 죽었기도 하다’는 생사가 공존하는 상태, 소위 양자 중첩 상태에 있는 고양이가 ‘슈뢰딩거의 고양이’입니다. 상자를 열어 ‘관찰’하는 것으로 고양이의 생사가 결정 되어지기 때문에, 아무리 변명을 늘어 놓아도 우리는 양자 중첩 상태의 고양이를 직접 볼 수 없습니다.
안들키려고 살짝 상자를 열어 훔쳐보아도, 그 순간에 고양이는 이미 양자 중첩 상태가 아니게 됩니다. 이처럼 양자론은 사람이 직접 눈으로 확인 할 수 없는 종류의 이론이나 사고실험 뿐인 걸까요? 기술의 진보로 인해 서서히 이 세계를 들여다 볼 수 있게 되어가고 있습니다. 바로 ‘절대영도(零度)’에 근접하는 물리학의 한계를 돌파 했다는 것입니다.
*절대영도의 양자 후방작용(back-action) 한계를 돌파하다.
마이너스 273.15도, 절대영도.
이 온도는 이론상으로 계산된 숫자이고, 인공적으로 이 온도를 실제로 만들어 내는 것은 불가능 합니다. 사물을 절대영도로 얼릴 수단이 개발 될 수 없었기 때문에 절대영도인 것이고, 또는 양자론에 있어서도 ‘불확정성 원리’에 따라 양자 진동이 제로 상태가 아니기 때문에, 모든 진동이 정지한 완전한 침묵의 세계인 절대영도를 실현 시킬 수 없다는 것입니다.
이 한계를 ‘양자 후방작용 한계(quantum backaction limit)’라고 부릅니다. 물론, 레이저를 사용해서 절대영도에 가까운 온도까지 냉각 시키는 것은 이미 성공 했습니다. 하지만 역시나 양자 후방작용 한계의 벽은 컸습니다.
그런데, 미국 국립표준 기술연구소(NIST)의 연구팀이 과학잡지 ‘Nature’에 발표한 연구에서, 양자역학을 탐구하는 실험에서 절대영도의 양자 후방작용 한계를 돌파하는 쾌거를 거두었다고 보도 되었습니다. 냉각시킨 물건은 직경 20마이크로미터, 두께 100나노미터의 극소크기의 알루미늄제 ‘드럼’이었습니다. 드럼이란, 음악 밴드에서 사용하는 악기인 드럼과 동의어로, 왜 그렇게 부르냐 하면, 스틱으로 두들겼을 때 드럼헤드와 같이 파르르 진동하기 때문이라고 합니다.
이 극소크기의 ‘드럼’은 자기적 공도구조를 지닌 초전도회로에 놓여져, 냉각을 위해 레이져빛을 받습니다.
이 레이저는, 연구팀이 독자 개발한 양자 진동이 압착된 상태의 스퀴즈드 라이트(squeezed light)라고 합니다.
이 스퀴즈드 라이트의 광자가 동공구조 안을 꽉 채움으로 해서 공진현상을 일으키고, 그 결과 ‘드럼’이 진동 한다고 합니다.
보통이라면 드럼에 광자가 충돌해서 열이 발생하겠지만, 공진하면서 에너지가 소리로 변환됨으로 해서 양자 에너지의 값을 5분의 1까지 내릴 수 있었다고 합니다. 그 결과, 양자 후방작용 한계를 뛰어넘는 온도까지 냉각이 가능 했다는 것입니다.
* 스퀴즈드 라이트란?
양자 후방작용 한계를 돌파시킨 스퀴즈드 라이트란 무엇일까? 오늘날의 물리학에서는, 빛은 파동이고 양자이기도 합니다. 그러니까 양쪽을 병행하는 것인데, 파동 성질로서의 빛은 진폭과 위상를 가지고, 양자로서의 빛은 진동이 있다는 것입니다.
(즉, 진폭진동과 위상진동이 있다는 것이다.)
‘불확정성 원리’에 따라, 어느 쪽이건 진동을 제로로 만들 수는 없지만, 기술에 따라서는 어느 한쪽의 진동을 완벽히는 아니어도 억제 가능 하다고 합니다. 하지만 그럴경우 다른 한쪽의 진동은 더 커집니다. 레이저가 먼 거리까지 도달하는 것은 빛의 지향성에 있습니다. 레이저 광선은 렌즈를 사용해서 위상진동을 되도록 낮게 억제한 빛이고, 코히런트(Coherent) 광이라고도 불립니다. 한편, 이것과는 반대로 진폭진동을 억제해서 그만큼의 위상진동의 폭이 넓어진 것이 스퀴즈드 광입니다.
이 획기적인 스퀴즈드 광에 의해 양자 후방작용 한계를 극복 할 수단이 생겼습니다.
요번 연구는 통신분야의 응용이 기대 되어지고 있습니다. 다시 말해 양자 컴퓨터를 의미합니다. 양자컴퓨터는 차원이 틀린 성능을 낸다고 합니다. 랜덤엑세스 메모리가 비약적으로 향상되는 것은 물론, 연산처리속도가 현재 CPU의 1억배가 될 것이라는 설도 있습니다. 연구에 참가한 죤 토이플 박사에 따르면, 양자 컴퓨터로는 ‘슈뢰딩거의 고양이’와 같은 양자 중첩 상태를 실현하기 위해 최소치인 비트 ‘0’과 ‘1’을 동시에 공존 시킬 수 있을 것이라고 합니다.
과학자가 아닌 일반인의 입장에서는 눈부신 과학의 발전이 한시라도 빨리 도래해 현실과 같은 가상현실을 체험 할 수 있게 되길 희망 할 뿐이다.