양자 실험의 중요하고 놀라운 비밀 12가지

양자 실험의 중요하고 놀라운 비밀 12가지

과학계에 따르면 양자 컴퓨팅은 매년 우리 곁으로 점점 더 가까이 다가오고 있습니다. 대부분 작은 규모의 사건은 결국 엄청난 결과를 가져오는데, 아주 작은 것들의 이상한 행동을 탐구하는 양자물리학보다 이를 더 잘 보여주는 과학 분야는 없습니다. 지난 2019년에는 일부 논란에도 불구하고 양자 실험이 새롭고 낯선 곳으로 진행됐으며 실용적인 양자 컴퓨팅이 점차 현실에 가까워졌습니다. 결국 이것은 그해 가장 중요하고 놀라운 양자 사건으로 남았습니다.

 

1. '양자 우위'를 주장하는 구글

2019년의 양자 뉴스 중 한 가지 항목이 역사책을 만든다면 아마도 그건 구글에서 나온 큰 발표일 것입니다. 거대한 기술 회사 구글은 당시 "양자 우위를 달성했다"라고 발표했습니다. 이는 "구글이 기존 컴퓨터보다 더 빠르게, 특정 작업을 수행할 수 있는 컴퓨터를 만들었다"라는 내용을 멋진 표현으로 다시금 재구성한 것입니다. 여기에서 기존 컴퓨터의 범주에는 해당 기사를 읽는 데 사용하는 장치와 같이 1과 0에 의존하는, 오래되고 일반적인 모든 컴퓨터가 포함됩니다. 만일 구글의 양자 우위 주장이 입증된다면 컴퓨팅 역사에 있어 큰 변곡점이 될 것입니다.

 

양자 컴퓨터는 계산을 수행하기 위해 얽힘과 같은 이상한 소규모 물리적 효과 및 나노 우주의 특정 기본 불확실성 등에 의존합니다. 이는 이론적으로 기존 컴퓨터에 비해 확실한 이점을 제공합니다. 양자 컴퓨터는 고전적인 암호화 방식을 쉽게 깨뜨리고, 완벽히 암호화된 메시지를 보내고, 기존 컴퓨터보다 더욱 빠르게 일부 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 이처럼 양자 컴퓨터는 어려운 문제를 매우 쉽게 해결할 수 있지만, 적어도 2019년 구글의 위업이 있기 전까지 이러한 이론적 이점을 활용할 만큼 빠른 양자 컴퓨터를 만든 사람은 아무도 없었습니다. 다만 모든 사람이 이 거대 회사의 패권 주장을 받아들이지는 않았습니다.

 

2. 양자로 변하는 킬로그램

2019년 당시 양자의 또 다른 변곡점은 도량형의 세계에서 나왔습니다. 모든 물리적 물체의 질량 단위를 측정하는 정의의 표준이 되는 킬로그램은 2.2파운드의 무게가 나가는 백금-이리듐 원통이었습니다. 수십 년 동안 질량이 거의 변하지 않았던 킬로그램은 2019년보다 새롭고 완벽한 변화의 과정을 거쳤습니다. 질량과 에너지 사이의 근본적인 관계와 양자 규모의 에너지 동작의 기이함을 바탕으로 물리학자들은 두 가지 규모 사이에서 전혀 변하지 않는 킬로그램의 정의에 도달할 수 있었습니다.

 

3. 깨져버린 현실

물리학자로 구성된 연구팀은 상황과 그에 대한 관점에 따라 사실이 실제로 변한다는 것을 보여주는 양자 실험을 설계했습니다. 물리학자들은 작은 양자 컴퓨터에서 광자를 사용해 일종의 '동전 던지기'를 수행했습니다. 그 결과, 이들은 탐지기와 관점에 따라 결과가 다르다는 사실을 발견했습니다. 과학 학술지에서 연구원들은 "양자 역학의 이상한 규칙에 의해 지배되는 원자와 입자의 미시 세계에서 두 명의 서로 다른 관찰자는 자신의 사실에 대한 권리가 있음을 보여준다"라며 자신들의 실험의 의의를 밝혔습니다. 이들은 "즉, 자연 자체의 구성 요소에 대한 우리의 최고 이론에 따르면 사실은 실제로 주관적일 수 있다"라고 주장했습니다.

 

4. 양자 얽힘이 매력을 발산했다

물리학자들은 알베르트 아인슈타인이 '으스스한 원거리 작용'이라 묘사했던 현상의 사진을 찍는 데 처음으로 성공했습니다. 이는 두 입자가 거리를 두고 떨어져 있음에도 불구하고 물리적으로 연결되어 있는 현상입니다. 이러한 양자 세계의 특징은 오랫동안 실험을 통해 검증되어 왔지만, 누군가가 그것을 실제로 본 것은 당시가 처음이었습니다.

 

5. 큰일이 여러 방향으로

어떠한 측면에서는 양자 얽힘의 반대 개념인 양자 중첩을 통해 단일 물체가 동시에 두 개, 또는 그 이상의 위치에 있을 수 있습니다. 이는 물질이 입자와 파동으로 존재하는 결과입니다. 일반적으로 이는 전자와 같은 작은 입자를 사용하면서 달성됩니다. 지난 2019년 진행된 실험에서 물리학자들은 플루오로 알킬 설파닐 사슬이 풍부하고, 올리고-테트라 페닐 포르피린으로 알려진 의학계의 거대한 2,000개 원자 분자를 사용해 사상 최대 규모의 중첩을 성공시켰습니다.

 

6. 진공을 통과한 열기

열은 일반적인 상황에서 복사의 형태로만 진공을 통과할 수 있습니다. 우리는 여름날 태양 광선이 공간을 가로질러 얼굴을 비출 때 이를 느낄 수 있습니다. 그게 아니라면 열은 표준 물리적 모델에서 두 가지 방식으로 이동합니다. 첫 번째 효과는 따뜻한 차 한 잔을 손으로 감쌀 때 비슷하게 느낄 수 있으며, 이때 에너지가 공급된 입자는 다른 입자와 부딪혀 에너지를 전달할 수 있습니다.

 

두 번째 방식에서는 따뜻한 액체가 더 차가운 액체를 대체, 자동차의 히터를 켜서 실내에 따뜻한 공기가 넘치는 것을 떠올리면 이 방식을 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 결국 복사가 없으면 열은 진공을 통과할 수 없습니다.

 

그러나 양자물리학은 늘 그렇듯이 규칙을 깨뜨렸습니다. 물리학자들은 양자 규모에서 진공이 실제로 비어 있지 않다는 사실을 실험에 이용했습니다. 연구에 참여한 과학자는 "이들은 존재했다가 사라지는 작고 무작위적인 변동으로 가득 차 있다"라고 설명했습니다. 연구원들은 명백히 비어 있는 공간을 가로지른 변동이 다음 변동으로 점프함으로써 열이 진공을 통과할 수 있다는 사실을 깨달았습니다.

 

7. 거꾸로 뒤바뀐 원인과 결과

다음의 발견은 실험적으로 검증된 발견과는 거리가 멀고 심지어 전통적인 양자 물리학의 영역을 훨씬 벗어납니다. 양자 중력은 양자 역학의 세계와 아인슈타인의 일반 상대성 이론을 통합하기 위해 고안된 이론적 구성입니다. 이를 연구한 과학자들은 특정 상황에서 사건이 더 일찍 발생한 효과를 일으킬 수 있음을 증명했습니다. 매우 무거운 특정 물체는 일반 상대성 이론으로 인해 바로 근처의 시간 흐름에 영향을 미칠 수 있으며 우리는 이미 이것이 사실이라는 것을 알고 있습니다. 그리고 양자 중첩은 물체가 동시에 여러 위치에 있을 수 있음을 보여줍니다. 연구원들은 "큰 행성과 같은 매우 무거운 물체를 양자 중첩 상태에 놓으면 원인과 결과가 잘못된 순서로 발생하는 이상한 시나리오를 설계할 수 있다"라고 주장했습니다.

 

8. 양자 터널링이 깨졌다

양자 터널링이란 입자가 겉으로는 통과할 수 없는 장벽을 통과하는 것처럼 보이는 이상한 효과로, 물리학자들은 이에 대해 오랫동안 인지하고 있었습니다. 2019년 진행된 한 실험에서 물리학자들은 이것이 실제로 어떻게 일어나는지 볼 수 있었습니다. 양자물리학에서는 입자도 파동이라고 하는데, 이러한 파동은 입자 위치에 대한 확률 예측으로 생각할 수 있습니다.

 

한 연구원은 "하지만 여전히 파도"라며, "바다의 장벽에 파도를 부딪치면 에너지가 약간 손실되지만, 반대쪽에는 더 작은 파도가 나타난다"라는 예시를 들어 이해를 도왔습니다. 양자 세계에서도 비슷한 효과가 일어난다는 것을 발견한 연구팀은 "장벽 반대편에 약간의 확률 파동이 남아 있는 한, 입자가 장애물을 통과해 맞지 않을 것 같은 공간을 터널링 할 가능성이 있다"라는 결론을 도출했습니다.

 

9. 지구에 나타난 금속 수소

지난 2019년은 초고압 물리학에 있어 매우 중요한 해였습니다. 가장 대담한 발표로 꼽힌 건 "재료 과학을 위한 성배 물질인 금속 수소를 만들었다"라는 프랑스 실험실의 주장이었습니다. 이들은 "목성의 중심에 존재한다고 생각되는 압력과같이 매우 높은 압력 아래에서는 단일 양성자 수소 원자가 알칼리 금속으로 작용한다"라고 전했습니다. 이전에는 그 누구도 실험실에서 효과를 입증할 만큼 높은 압력을 생성한 적이 없었지만, 이 프랑스 실험팀은 425기가 파스칼(해수면에서 지구 대기압의 420만 배)에서 이를 목격했다고 주장했습니다. 다만 모든 과학자가 이들의 주장을 받아들이지는 않았습니다.

 

10. 우리가 목격한 양자 거북이

자기장으로 과냉각된 원자 덩어리를 공격할 경우, 우리는 양자 불꽃놀이를 볼 수 있습니다. 이는 명백히 원자 제트가 무작위 방향으로 발사되는 것입니다. 연구원들은 "불꽃놀이에 어떤 패턴이 있을 수 있다"라고 판단했지만, 겉모습만으로는 이 의심이 명확하게 해소되지 않았습니다. 컴퓨터의 도움을 받은 연구자들은 불꽃놀이 효과의 모양, 이른바 양자 거북이를 발견했습니다. 하지만 이것이 어떠한 이유로 그런 모양을 취하는지에 대해서는 아직 아무도 밝혀내지 못했습니다.

 

11. 초소형 양자컴퓨터가 시간을 되돌리다

시간은 한 방향, 즉 반드시 앞으로만 이동해야 합니다. 쉬운 예로 우유를 땅에 쏟았다면, 바닥의 먼지를 완벽하게 건조하고 깨끗한 우유를 컵에 다시 넣을 수 있는 방법은 없습니다. 양자 파동 함수는 확산되는 동시에 확산되지 않습니다. 이 경우를 제외하고는 그랬습니다. 지난 실험에서 물리학자들은 파동의 모든 파동을 작은 2큐비트 양자 컴퓨터를 이용해 파동을 생성한 입자로 되돌릴 수 있는 알고리즘을 작성했습니다. 이를 통해 과학자들은 이벤트를 풀어내고 시간의 화살을 효과적으로 되돌릴 수 있었습니다.

 

12. 또 다른 양자 컴퓨터와 16개의 미래

1과 0이 아닌 중첩에 의존하는 양자 컴퓨터의 좋은 특징은 한 번에 여러 계산을 수행할 수 있다는 것, 이 장점은 지난 2019년 개발된 새로운 양자 예측 엔진에서 완전히 드러났습니다. 엔진 뒤 연구원들은 일련의 연결된 이벤트를 시뮬레이션했고, 이를 통해 16개의 가능한 미래를 엔진에서 단일 광자로 인코딩할 수 있었습니다. 이러한 양자 컴퓨팅의 발전에 과학자들은 "이제는 멀티태스킹의 시대"라며 기대감을 드러냈습니다.