우리가 사는 세상에서 자동차는 어느 순간 한 장소에 있고, 던진 공은 일정한 방향으로 날아간다. 그런데 원자나 전자처럼 눈에 보이지 않을 만큼 작은 세계에서는 우리의 상식으로 설명하기 어려운 현상이 나타난다. 이 작은 세계의 법칙을 설명하는 것이 ‘양자역학’이다.

양자역학은 20세기 초 기존 물리학으로 설명할 수 없는 현상을 해결하는 과정에서 시작됐다. 1900년 막스 플랑크는 에너지가 연속적으로 흐르는 것이 아니라 일정한 크기의 덩어리로 흡수되고 방출된다고 제안했다. 이 불연속적인 에너지 단위를 ‘양자(Quantum)’라고 한다. 이후 아인슈타인은 빛이 파동뿐 아니라 입자의 성질도 가진다는 것을 밝혔고, 드브로이는 반대로 전자와 같은 입자도 파동처럼 행동할 수 있다고 제안했다. 우리가 알고 있던 물리법칙만으로는 설명하기 어려운 새로운 세계가 발견된 것이다.

입자인데 파동처럼 행동한다

이를 잘 보여주는 것이 ‘이중 슬릿 실험’이다. 두 개의 좁은 틈을 향해 전자를 하나씩 보내면 화면에는 점이 하나씩 찍힌다. 그런데 계속 반복하면 물결이 서로 겹칠 때와 같은 줄무늬가 나타난다. 하나씩 날아간 전자가 전체적으로는 파동처럼 행동하는 것이다. 이를 ‘입자와 파동의 이중성’이라고 한다.

더 흥미로운 것은 전자가 어느 틈을 지났는지 측정하면 이러한 간섭무늬가 사라진다는 것이다. 사람이 바라보기 때문이 아니라 측정을 위한 물리적 상호작용이 양자의 상태에 영향을 주기 때문이다. 즉 양자의 세계에서는 무엇을 측정하는가뿐 아니라 어떻게 측정하는가도 중요하다.

이처럼 미시세계가 일상세계와 전혀 다르게 움직인다는 사실이 밝혀지면서 하이젠베르크와 슈뢰딩거 등은 1920년대 양자역학의 이론적 토대를 세웠다. 하이젠베르크는 입자의 위치와 운동량을 동시에 무한히 정확하게 알 수 없다는 ‘불확정성 원리’를 제시했고, 슈뢰딩거는 양자의 상태를 수학적으로 설명하는 방정식을 만들었다.

여러 가능성이 함께 존재한다

양자세계의 또 다른 특징은 ‘중첩(Superposition)’이다.

책상 위의 동전은 앞면 아니면 뒷면이다. 그러나 양자의 세계에서는 측정하기 전까지 어느 하나로 이미 정해져 있다고 보기보다 여러 가능한 상태가 함께 존재하는 것으로 표현한다. 측정하면 그 가운데 하나의 결과를 얻게 된다. 이것이 양자 중첩이다.

슈뢰딩거가 제시한 유명한 ‘고양이 사고실험’도 이 낯선 개념을 설명하기 위한 것이다. 상자를 열어 확인하기 전까지 고양이가 살아 있을 가능성과 죽어 있을 가능성을 함께 고려한다는 설정을 통해, 양자세계의 중첩이 우리의 일상적 상식과 얼마나 다른지를 보여주려 했다. 중첩은 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터와 다른 방식으로 정보를 처리할 수 있게 하는 핵심 원리이기도 하다.

멀리 떨어져 있어도 연결된다

더욱 기묘한 현상이 ‘양자 얽힘(Quantum Entanglement)’이다.

두 양자가 특별한 방식으로 하나의 상태를 이루면 서로 멀리 떨어져 있어도 각각을 측정한 결과 사이에 매우 강한 관계가 나타난다. 둘 이상의 양자가 하나의 연결된 상태처럼 행동하는 것, 이것이 양자 얽힘이다. 이는 한쪽에서 다른 쪽으로 어떤 정보가 순간적으로 전달된다는 뜻이 아니라, 두 양자의 상태를 서로 독립적으로 설명하기 어려운 특별한 관계가 형성됐다는 의미다.

아인슈타인조차 이를 쉽게 받아들이지 못했다. 1935년 아인슈타인·포돌스키·로젠은 ‘EPR 역설’을 통해 양자역학에 의문을 제기했다. 그러나 이후 존 벨이 실험적 검증 방법을 제시했고, 존 클라우저·알랭 아스페·안톤 차일링거 등의 실험은 양자역학이 예측한 얽힘의 특성을 확인했다. 세 사람은 관련 연구로 2022년 노벨물리학상을 받았다.

그리고 양자컴퓨터가 등장했다

양자역학이 등장한 지 100여 년이 지난 지금, 과학자들은 이러한 현상을 설명하는 데 그치지 않고 중첩과 얽힘을 직접 제어해 새로운 기술에 활용하고 있다.

양자세계에서는 입자가 파동처럼 행동하고, 여러 가능성이 함께 존재하며, 서로 떨어진 양자들이 특별하게 연결될 수 있다. 그리고 바로 이러한 양자의 특성을 계산에 이용하는 것이 양자컴퓨터다.

다음 글에서는 양자컴퓨터의 원리와 가능성, 그리고 이러한 기술의 발전이 정부와 지방자치단체에 어떤 의미를 갖는지 살펴본다.

[지방정부티비유=이상지 박사]