고등과학원은 “호주 퀸즐랜드대학 연구원 정현석 박사가 프랑스 실험팀과 함께 양자역학의 비밀인 ‘슈뢰딩거의 고양이’를 증명하는 데 성공, 그 결과를 8월 16일 네이처지에 게재한다”고 전했다.



‘진행하는 빛의 슈뢰딩거 고양이 상태’는 지난 20여 년간 이론적으로만 그 구현 가능성이 논의되어 왔을 뿐 현재 기술로 만들어 낼 수 있는 가능성은 매우 희박했던 것으로, 2006년 초 정현석 박사가 슈뢰딩거 고양이 상태보다 광자의 수 상태(광자의 개수가 잘 정의된 빛의 상태)가 비교적 만들기 쉽다는 점에 착안하면서 실험의 실마리를 찾게 됐다.



‘슈뢰딩거의 고양이 상태’는 양자 물리학의 창시자 중 한 사람인 오스트리아의 과학자 슈뢰딩거가 제안한 사고 실험(thought experiment)에 등장하는 고양이에서 유래된 용어이다. 일반적인 상식과 경험에 의하면 고양이는 살아 있는 상태 혹은 죽어 있는 상태로 있을 수밖에 없다.



하지만 양자역학에 의하면 밀폐된 상자 안의 고양이는 상자를 여는 “측정 행위”가 일어나기 전에는 살아 있지도 죽어 있지도 않은 두 상태가 동시에 중첩된 기묘한 양자 상태로 존재할 수 있게 된다. 즉, ‘슈뢰딩거 고양이 상태’는 마치 슈뢰딩거의 역설에 등장하는 고양이와 같이 거시적으로 구별이 가능한 두 상태의 양자적 중첩을 지칭하는 말이다.




양자 중첩이란 양자컴퓨터의 정보단위인 양자비트 또는 큐비트에서 0과 1이 조화롭게 중첩된 상태를 말하며, 양자비트 세 개는 8가지, 네 개는 16가지 하는 식으로, 양자비트 하나가 늘어날 때마다 ‘동시에’ 나타낼 수 있는 정보가 2배씩 기하급수적으로 늘어난다. 이와 같은 원리로 양자컴퓨터가 실현되면, 현존하는 최고의 컴퓨터를 모아놓아도 우주의 나이 150억년보다 긴 시간이 걸릴 계산을 단 몇 분 만에 해치울 수 있다.



양자컴퓨터의 실현을 위해서는 양자 중첩을 만들어내는 것이 관건이다. 그러나 양자 중첩을 만들어내는 것은 쉽지 않고 설사 만들어 냈다고 하더라도 주변 환경의 영향에 의해 급히 “죽어 있는 상태”나 “살아 있는 상태” 둘 중 하나로 전이되어 버리므로 매우 구현하기 어려운 것으로 알려져 왔다.




이와 관련해 정현석 박사는 “기존에 알려진 실험 기술들을 이용해 먼저 광자들을 생성시킨 후 반거울로 생성된 광자 빔을 둘로 나누고, 나누어진 빔의 한쪽에 특별한 광학적 측정을 가해서 다른 한쪽에 슈뢰딩거 고양이 상태가 만들어지도록 했다”고 밝혔다.



결국 정 박사와 프랑스 연구팀은 이러한 방식을 통해 거시적으로 뚜렷이 구별이 가능한 두 상태의 중첩을 만들어내고 측정하는 데 성공할 수 있었으며, 또한 초기에 생성된 광자의 개수를 늘임으로써 얼마든지 큰 거시적 양자 중첩을 만들어낼 수 있음을 증명했다.



이번 연구결과는 상대성이론과 함께 현대 물리학의 한 축인 양자역학의 근본적 원리에 보다 가까이 다가갈 수 있는 흥미로운 결과일 뿐 아니라 양자암호, 양자컴퓨터, 양자공간이동 등 미래의 양자정보기술에 유용하게 사용될 것으로 기대된다.