2022년 노벨 물리학상을 수상한 Anton Zeilinger/안톤 차일링어, 존 클라우저/John F. Clauser &
알랭 아스페/Alain Aspect (왼쪽부터)
2022년도 노벨 물리학상 수상자로 알랭 아스페 박사(75), 안톤 차일링어 박사(77)와
존 클라우저 박사(79)로 선정되어서 각각 똑같이 천만 크로너 상금을 나누어 가지게 되었다.
노벨 위원회는 이들의 수상이유로 "얽힌 광자(photons)에 관한 연구를 바탕으로
벨 부등식의 위반/The Vilolation of Bell inequalities'을 증명해서
양자물리학 정보 과학을 분야를 개척한 업적을 높이 샀기 때문이라고 밝혔다.
이 삼인방 물리학자들은 알버트 아인슈타인이 "먼 거리에서 발생하는 요상한 현상"이라고 표현한
양자 얽힘/quantum entanglement을 중점적으로 연구해서,
양자 계산학/quantum computing, 안전한 정보 전송/secure information transfer와
센싱 테크놀로지/sensing technologies 에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상되고 있다.
스톡홀름에서 노벨 위원회가 10월 4일에 2022년도 노벨 물리학상 수상자들을 발표하고 있다.
PHOTO: JONAS EKSTROMER
양자 얽힘은 하나의 입자의 특성을 아주 멀리 떨어진 입자의 특성으로 미루어서
추론할 수 있다는 것을 말한다.
쉬운 예를 들자면, 검은 공 하나와 하얀 공 둘 중에 하얀 공을 받으면,
다른 공은 검은 공인 것을 아는 것과 같은 이치라고 볼 수 있다.
위의 그림은 양자 얽힘 현상을 설명해 준다.
예를 들면 박스 모양의 기계가
다른 색깔의 공을 반대편으로 동시에 던지면, 오른편에 있는 Bob이 검은 공을 받으면,
금방 왼편에 있는 Alice는 하얀 공을 받은 것을 알게 된다.
'감춰진 변수'/hidden variables 을 사용한 이론에서는 색상이 이미 정해진
두 공은 발견되기까지 언제나 어떤 색인지 감추고 있다고 인정한다.(위)
반면, 양자 물리학(아래)에서는 누가 보기 전까지는 회색이다가
무작위로 하나는 하얀색 다른 하나는 검은 색으로 정해진다고 본다.
올해 노벨 물리학상 수상자들은 실험을 통해서 양자 물리학의 설명이 옳다고 증명한 셈이다.
하지만 중요한 것은 공 하나를 밝혀내기까지는 각 입자의 특성은 정해지지 않는 점이다.
위에 제시한 흑백 공 예를 다시 들면, 어떤 색의 공을 받았는지 보기 전까지는
두 공 다 회색으로 보이는 것을 뜻한다.
이처럼 두 개의 공이나 입자들이 멀리 떨어진 상태에 처한 상태에서
서로 시그널을 주고 받지 않아도 서로 본질적으로 연결된 특별한 현상을 가르켜서
아인슈타인은 "요상하다" 다고 표현을 한 셈이다.
이 현상을 증명하기 위해서, 1960년대 초반에 북 아일랜드 출신 물리학자인
존 스튜어트 벨 박사/John Stewart Bell가
유명한 '벨 부등식/Bell's inequality' 이론을 수립했다.
서로 반대되는 특성이 동시에 존재할 때에 우리는 양자라고 부른다.
관측하는 순간 둘 중 하나의 특성이 결정되어서
오른쪽으로 돌다가 동시에 왼쪽으로 도는 입자가
과학자가 관측하는 순간 한쪽으로 도는 '일반적인 입자'로 변경되는 현상과 같다.
따라서 수학적으로는 설명이 가능하지만,
눈으로 확인하는 방법이 없어서 이 현상을 증명하는 것이 불가능했다.
1975년 버클리 대학교에서 양자 얽힘 두번째 실험을 하고 있는 클라우저 박사
photo: Steve Gerber
벨 박사의 연구에 관심이 많았던 미국의 클라우저 물리학자는
콜롬비아 대학교에서 박사 공부를 하던 중에 벨 부등식을 접했던 그는
1972년에 버클리 대학교 지하실에서 2012년에 작고한 스튜어트 프리먼과 함께
위, 아래 두개의 확률이 있는 수 천개의 편광/polarlized light를
양 쪽에서 동시에 발사해서 결과를 측정해 보았다.
그 때가지 받아들여진 위나 아래의 랜덤 결과가 아니라,
위와 아래가 서로 매치가 되는 결과를 확인하면서
광자/photons 입자들에 숨겨진 정보가 담겨 있지 않다는 것을 입증했다.
다시 말하면, 위의 두 공의 예로 돌아가서
공의 색깔이 정하는 특별한 정보가 있는 것이 아니라
양자 물리학에서 추론할 수 있듯이, 하나가 검다면,
간단하게 다른 하나는 하얗다는 것을 실험으로 증명해 보였다.
제일 아래 그림은 클라우저 박사가 특별한 빛을 칼슘 원자에 비춰주면,
발생한 '얽힌 양자'를 양쪽에 필터를 설치해서 포톤의 편극화를 측정해서
벨 부등식이 성립되지 않는다는 것을 증명했다.
캘리포니아 자택에서 수상 소식을 듣고 기뻐하는 클라우저 박사는
1942년 미국 파사디나에서 출생해서 1969년에 컬럼비아 대학교에서 박사 학위를 획득했으며,
현재도 클라우저 연구소를 설립해서 왕성하게 물리학 연구 활동을 이어오고 있다.
PHOTO: TERRY CHEA
양자 물리학이 큰 관심을 얻지 못하던 당시에
이 연구는 당시 그의 박사 논문 지도 교수인 타데우스 박사는
'이 실험은 시간 낭비이고, 내 커리어를 망친다.'라고 할 정도로
과학계의 큰 관심을 얻지 못했을 뿐 아니라 과학이 아니라고 하는 혹평도 받았다.
2002년 미국 물리학 협회와의 인터뷰에서 그 자신도 양자 물리학이 틀렸고,
아인슈타인이 옳았다고 기대를 했는데, "확실하게 우리의 실험에서 '틀린 결과'가 나왔다.
그래서 내가 본대로 그대로 밝힐 수 밖에 없었지만 우리의 연구는 양자 물리학을
부정하기를 바랬다. 그리고 모든 이들이 내가 미쳤다고 했다." 라면서 당시의 상황을 대변했다.
프랑스 물리학자 알랭 아스페 박사는 1947년 프랑스 아젱에서 태어났고,
1983년에 남 파리 대학교에서 박사 학위를 받고, 현재 파리-사클레 대학교와
에콜 폴리테크의 교수를 역임하고 있다.
PHOTO: PETER KLAUNZER
그렇게 양자 얽힘에 관한 연구가 각광을 받지 못하다가
파리 사클레 대학교와 에콜 폴리텍의 교수로 재직중인 알랭 아스페 박사가
1970년대에 박사 공부 중에 봉사활동의 일원으로 3년간 카메룬에서 가르치면서
남는 시간에 양자 물리학을 연구하다가, 벨 박사의 부등식에 관해서
제대로 연구를 하기 위해서 프랑스로 다시 돌아왔다.
1982년에 아스페 박사는 파리 대학교에서 클라우저 박사의 연구의 문젯점을 보완하기 위해서
10 나노초(1/100,000,000)초마다 포톤의 편광 방향을 바꾸면서,
이미 공중으로 이동한 포톤(광자)는 서로 소통하기엔 너무 빠르게 이동하는
상황에서 실험을 시행했는데, 그 역시 아인슈타인의 이론이 맞아 떨어질거라고 예상했다.
하지만 그와 상반된 그의 실험 결과는 물리학자들 뿐만 아니라 엔지니어들에게도
실제로 유용한 정보를 제공해 주는 계기가 되었지만,
여전히 클라우저 박사가 벨 부등식을 증명한 데에 헛점이 완전히 해소되지 않아서
아인슈타인이 틀렸다고 단정하기엔 아직 일렀다.
그의 실험에서 편광/polarization의 방향이 일정한 간격으로 변경되어서,
이론적으로 결과를 예측할 수 있기에, 포톤이나 탐지기에 의해서 감지될 가능성이
여전히 존재해서 확실하게 양자 얽힘을 밝히기엔 문제점이 남았다.
‘quantum teleportation’를 정립한 안톤 차일링어 박사는
1945년 오스트리아의 Ried im Innkreis/리트 임 인크라이스에서 태어나서
1971년에 비엔나 대학교에서 박사학위를 받았고, 현재 모교의 교수로 활동하고 있다.
PHOTO: MATTHIAS RODER
이런 상황에서 아스페 박사와 클라우저 박사가 이룬 성과와 문제점을
비엔나 대학교의 교수인 안톤 차일링어 박사가 바톤을 이어 받았다.
그와 연구팀은 벨 실험 과정에 얽힌 양자들이 공중에 이동할 때에
이전보다 실험보다 더 무작위성/randomness 를 높이기 위해서
난수 생성기/random number generators를 사용해서 편극화의 방향을 무작위로 변경시켰다.
이 실험으로 특정한 곳에 발생할 수 있는 헛점을 최소화시켜서
비로서 아인슈타인의 제시한 이론에 합당하게 반박할 수 있게 되었다.
앞으로 닥칠 반박설을 막기 위해서
근래에 차일링어 박사와 연구팀은 수십억 광년 거리에 떨어진 준항성체/quasars에서
온 빛을 난수 생성기로 사용한 "Cosmic Bell' 실험으로 전환했다.
차일링어 박사는 특별한 크리스탈에 레이저를 쏘아서 얽힌 광자 입자를 만든 후,
난수 생성기 혹은 먼 은하수에 위치한 quasar에서 온 시그날을 사용해서
광자 입자들끼리 소통을 완전히 차단해서 결과를 측정했다.
이런 오랜 노력 덕분으로 이제는 양자 얽힘 이론은 양자 물리학의 일부로
과학자들 사이에서도 정설로 인정받게 되면서, 암호학/cryptology,
양자 컴퓨팅/quantum computing 과 새로 각광받는 양자 인터넷/quantum internet 개발에
매년 $10억이 투자되고 있다.
올해 노벨 물리학상을 수상했다는 소식을 들은 그는 지난 수 년간 함께 일해 온
100여명의 젊은 과학자들의 도움이 컸다면서
이 상은 "이 젊은이들에게 큰 격려가 되었다." 라고 수상 소감을 밝혔다.
아울러 그의 연구 결과가 미래에 다양한 분야에 걸쳐서 개발될
여러 테크놀로지에 큰 영향을 주긴 하지만,
"당신이 관심있는 것을 찾아서 연구하되 그 결과로 미래에 개발될
새로운 application이나 테크놀로지에 연연하지 말라고" 충고하고 싶다고 덧붙였다.
