[노벨상 2022] 노벨물리학상 수상자들, 양자 얽힘 현상 규명...양자 기술 활용 기반 마련

양자 얽힘 실험적으로 증명하고 정교하게 검증...양자정보 선구자

2022년 노벨 물리학상은 양자얽힘 현상을 규명하고 이를 양자컴퓨터와 양자통신 등에 활용하는 길을 개척한 3명의 양자물리학 연구자에 돌아갔다.

양자 얽힘은 서로 떨어져 있는 두 입자 중 한쪽의 상태가 결정되는 순간 다른 쪽의 상태도 결정되는 것으로, 양자물리학의 핵심 원리 중 하나다. 조동현 고려대 물리학과 교수는 "얽힘과 중첩은 양자역학에만 등장하는 특별한 물질의 상태"라며 "오늘날 양자 컴퓨팅 등의 근원이 되는 현상"이라고 설명했다.   

2022년 노벨 물리학상 수상자들. 왼쪽부터 아스펙트, 클라우저, 자일링어. (자료=노벨위원회)

양자역학이 등장한 초기엔 양자 얽힘의 성격과 이를 설명하는 방법을 놓고 학계에서 여러 시도가 있었다. 두 입자 사이에 숨은 변수가 있어 서로 소통한다는 것도 그런 가설 중 하나였다.

물리학자 존 스튜어트 벨은 1960년대에 양자 얽힘을 설명하는 수식인 '벨 부등식'을 제시하며 '만약 어떤 숨은 변수가 있다면 대규모 측정을 통해 나오는 어떤 결과가 특정 값을 넘을 수 없다'고 주장했다.

존 클라우저는 1970년대 들어 벨 부등식과 관련된 광양자학 실험을 설계, 실제 양자 현상은 숨은 변수가 있을 경우의 벨 부등식과 맞지 않음을 보였다. 양자역학의 얽힘을 우회해서 설명할 숨은 변수는 없고, 일반적 양자역학이 맞음을 보인 것이다.

숨은 변수에 기반한 설명과 실제 양자 현상의 비교 (자료=노벨위원회)

알랭 아스페는 클라우저의 연구들이 미처 다 발견하지 못한 취약점들을 메우는 실험을 설계했다. 서로 얽힌 입자들이 에너지원을 떠난 후 측정 설정을 바꿈으로써 이들 양자들이 방출된 당시의 설정이 결과에 영향을 미치지 못 하게 했다.

안톤 자일링어는 이같은 성과를 바탕으로 양자 얽힘 상태를 활용, 한 입자의 양자 상태를 떨어져 있는 다른 입자에 옮길 수 있음을 보였다. 그의 연구는 오늘날 양자통신과 양자컴퓨팅 등의 기본 원리가 되었다.

정연욱 성균관대학교 물리학과 교수는 "올해 수상자들은 양자역학의 핵심인 양자 얽힘이 실제로 존재함을 밝혀 양자컴퓨팅 등 활용의 기반을 연 연구자들"이라며 "당연히 받을 사람들이 받았다"고 말했다.