[2012 노벨물리학상] 세르주 아로슈 & 데이비드 와인랜드 : '양자'를 파괴하지 않고 측정하는 기술을 발명하다

 

 

 

📜 들어가며: '슈뢰딩거의 고양이'라는 역설

 

20세기 초, 플랑크, 아인슈타인, 닐스 보어 [1918, 1921, 1922년 수상] 같은 거인들은 '양자역학'이라는 기묘하고 새로운 세계의 문을 열었습니다. 이 세계는 '확률'과 '중첩'이라는, 우리의 상식과는 정반대의 법칙이 지배했습니다.

가장 유명한 역설은 슈뢰딩거의 고양이 [1933년 수상]였습니다. "상자 속 고양이는 '죽은' 상태와 '산' 상태로 동시에 중첩되어 있다. 하지만 우리가 상자를 '보는' [관측하는] 순간, 이 중첩은 붕괴되고 고양이는 죽거나 사는 하나의 상태로 결정된다."

이것은 80년간 물리학의 근본적인 딜레마였습니다. 우리는 양자 세계의 경이로운 '중첩' 상태를, 그것을 '파괴'하지 않고서는 결코 '볼' 수 없는가?

이시도어 라비 [1944년 수상]나 블로흐와 퍼셀 [1952년 수상]은 수십억 개의 원자 '집단'이 내는 평균적인 소리를 엿들었습니다. C. T. R. 윌슨 [1927년 수상]과 도널드 글레이저 [1960년 수상]는 입자가 지나간 '흔적' [안개와 거품]을 보았지만, 입자 그 자체를 본 것은 아니었습니다.

"원자 한 알, 혹은 광자 한 알을 '덫' 안에 가두고, 그것을 '파괴'하지 않으면서, 그 양자 상태를 '측정'하고 '조작'할 수는 없을까?"

이 질문은 '양자 컴퓨터'라는 공상 과학 소설의 첫 페이지를 여는 것과 같았습니다. 2012년 노벨 물리학상은, 이 '불가능한 관측'을 현실로 만든 두 명의 위대한 '양자 마술사', 세르주 아로슈 [Serge Haroche]와 데이비드 J. 와인랜드 [David J. Wineland]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "개별 양자 시스템의 측정과 조작"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2012년, 이 두 명의 공로를 인정하여 노벨상을 공동 수여했습니다.

"개별 양자 시스템 [individual quantum systems]을 파괴하지 않고 측정하고 조작할 수 있는 획기적인 실험 방법을 개발한 공로를 기리며"

이 수상 이유는 그들이 '제2의 양자 혁명', 즉 '양자 정보'의 시대를 열었음을 의미합니다.

• 1세대 양자역학: "자연은 양자다"라는 것을 '발견'했습니다. [레이저, 트랜지스터]
• 2세대 양자역학: "그 양자를 '제어'하자"는 것을 '실현'했습니다.

놀랍게도 두 사람은 '양자'라는 똑같은 목표를 향해, 정반대의 재료로 달려갔습니다.

• 데이비드 와인랜드 [미국]: '물질'의 최소 단위인 이온 [Ion, 원자] 한 알을 '전기 함정' [Ion Trap]에 가두고, '레이저'로 그 상태를 읽었습니다.
• 세르주 아로슈 [프랑스]: '빛'의 최소 단위인 광자 [Photon] 한 알을 '거울 감옥' [Cavity]에 가두고, '원자'로 그 상태를 읽었습니다.

그들은 '슈뢰딩거의 고양이'를 상자 속에 '살아있는 채로' 확인하는 방법을 발명한 것입니다.

 

👨‍🔬 [절반의 공로] 데이비드 와인랜드: '이온 트랩' 속 원자 교향곡

 

데이비드 와인랜드는 1989년 노벨상 수상자인 한스 데멜트와 볼프강 파울이 발명한 이온 트랩 [Ion Trap] 기술의 직계 후계자였습니다. 이 '전기 감옥'은 이온[전하를 띤 원자] 한 알을 허공에 가둘 수 있었습니다.

하지만 '가두는' 것만으로는 부족했습니다. 갇힌 이온은 여전히 제자리에서 미친 듯이 '떨고' [열운동] 있었습니다.

와인랜드의 첫 번째 위업은 이 '떨림'을 멈추는 것이었습니다. 그는 스티븐 추 [1997년 수상] 등이 개발한 레이저 냉각 [Laser Cooling] 기술을 이온 트랩에 적용했습니다.

그는 1978년, 레이저를 이용해 갇힌 이온의 온도를 '절대 영도' 직전까지 냉각시켜, 그 움직임을 양자역학적 '바닥 상태' [Ground State of Motion]로 '얼리는' 데 인류 최초로 성공했습니다.

'양자 도약'을 조종하다

이제 '완벽하게 정지된' 단 하나의 이온. 와인랜드는 이 이온을 '큐비트' [Qubit]로 사용했습니다.

그는 '극도로 정밀한' 레이저 펄스를 '총알'처럼 쏘아, 이 이온을 '바닥 상태' [0]와 '들뜬 상태' [1]의 중첩 상태 [Superposition, 0과 1이 동시에 존재하는]로 만들었습니다. 이것이 바로 '양자 컴퓨터'의 기본 연산입니다.

더 나아가, 그는 '양자 비파괴 측정' [QND]이라는 기법을 개발했습니다. 그는 이온을 '파괴'하지 않고도, '보조' 레이저를 쏘아 나오는 '형광'을 통해 "아, 이 이온이 0의 상태에 있구나" 혹은 "1의 상태에 있구나"를 100%의 정확도로 '읽어내는' 데 성공했습니다.

'궁극의 시계'

와인랜드의 이 '얼어붙은' 단일 이온은, 이 우주에서 가장 '완벽한 시계추'가 되었습니다. 그는 이 이온의 '떨림'을 기준으로, 10¹⁷분의 1 [10경 분의 1]의 오차를 가진 광학 시계 [Optical Clock]를 개발했습니다.

이 시계는 너무나 정확해서, 만약 빅뱅[138억 년 전]부터 작동시켰다면 오늘날까지 단 5초도 틀리지 않을 정도입니다. [1989년 램지의 세슘 원자 시계보다 수백만 배 더 정확합니다.]

 

💡 [절반의 공로] 세르주 아로슈: '빛의 감옥'에 '광자' 한 알을 가두다

 

와인랜드가 '물질' [이온]을 가두었다면, 파리의 세르주 아로슈는 훨씬 더 불가능해 보이는 과제, 즉 '빛' [광자]을 가두는 데 도전했습니다.

광자는 '정지'하지 않습니다. 빛의 속도로 질주하다가, 어딘가에 '흡수'되는 순간 '소멸'합니다.

초전도 '거울 감옥'

아로슈는 광자를 가두기 위해, 인류 역사상 **가장 완벽한 '거울'**을 만들었습니다.

1. 그는 두 개의 '초전도' 금속[니오븀] 거울을 만들었습니다.
2. 이 거울들을 '다이아몬드'로 연마하여 표면을 원자 수준으로 매끄럽게 만들었습니다.
3. 이 두 거울을 불과 3cm 간격으로 마주 보게 하여 '공명 공동' [Cavity]이라는 '빛의 감옥'을 완성했습니다.
4. 이 감옥을 '절대 영도' [0.8 K]로 냉각시켜, 거울 자체가 내뿜는 '열 잡음'을 완벽히 제거했습니다.

이 '감옥'에 '마이크로파 광자' 한 알을 '가두면', 광자는 이 두 거울 사이를 수십억 번 왕복하며 무려 0.13초 동안 '생존'할 수 있었습니다. [빛에게 0.13초는 영원과도 같은 시간입니다.]

'스파이 원자'로 엿보다

이제 감옥에 '광자'가 갇혔습니다. "어떻게 그 광자를 '파괴하지 않고' 그 존재를 확인할 수 있을까?"

아로슈는 '양자 비파괴 측정'을 위해 **'스파이 원자'**를 보냈습니다.

1. 그는 리드베리 원자 [Rydberg Atom, 닐스 보어의 원자 모형에서 가장 바깥 궤도를 도는, '풍선처럼 부풀려진' 원자]를 만들었습니다.
2. 이 '거대한' 스파이 원자를 '감옥' [Cavity] 속으로 '한 알씩' 통과시킵니다.
3. [결과]
   • 만약 감옥 안에 '광자가 없다면' (0의 상태), 스파이 원자는 아무런 방해 없이 통과하며 'A 상태'를 유지합니다.
   • 만약 감옥 안에 '광자가 있다면' (1의 상태), 그 광자의 '전기장'이 스파이 원자의 '양자 위상'을 미세하게 '밀어냅니다'. 스파이 원자는 'B 상태'가 되어 감옥을 빠져나옵니다.

아로슈는 감옥을 '열어보지 않고도', 밖으로 나온 '스파이 원자'의 상태[A인가 B인가]를 측정하는 것만으로, "아, 감옥 안에 광자가 한 알 있구나" 혹은 "광자가 두 알 있구나"를 '세는' 데 성공했습니다.

그는 '슈뢰딩거의 고양이'를 건드리지 않고, 고양이가 살았는지 죽었는지 알아낸 것입니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

'슈뢰딩거의 고양이'를 실시간으로 목격하다

아로슈의 팀은 여기서 더 나아가, '여러 개의 광자'가 '중첩'된 상태 ['슈뢰딩거의 고양이 상태']를 실제로 만들어냈습니다. 그리고 이 '양자 고양이'가 외부 환경[거울의 미세한 결함]과 상호작용하며, '중첩' 상태가 '붕괴'하여 '고전적인' 상태로 죽어가는 과정, 즉 '결어긋남' [Decoherence]을 '슬로우 모션' 비디오처럼 실시간으로 관측하는 데 성공했습니다.

양자 컴퓨터, 그 자체

1989년 수상자들이 '큐비트' [Qubit]를 만들 '재료'를 발명했다면, 2012년 수상자들은 그 '재료'로 **'최초의 큐비트'**를 '작동'시킨 사람들입니다. 와인랜드의 '갇힌 이온'과 아로슈의 '갇힌 광자'는 오늘날 '이온 트랩 방식'과 '초전도 큐비트 방식'이라는, 양자 컴퓨터 개발의 가장 유력한 두 개의 플랫폼이 되었습니다.

프랑스와 미국의 '라이벌'

아로슈[프랑스, ENS]와 와인랜드[미국, NIST]는 수십 년간 태평양을 사이에 두고 '물질'과 '빛'이라는 각자의 영역에서 경쟁하며 양자 제어 기술을 발전시킨 위대한 라이벌이었습니다. 노벨 위원회는 이 두 거장 모두의 공로를 인정했습니다.

 

✍️ 나가며: '상상'을 '실험실'로 가져오다

 

2012년 노벨 물리학상은 20세기 초, 아인슈타인과 보어가 '사고 실험' [Thought Experiment]으로만 논쟁했던 양자역학의 가장 기묘한 현상들을, 21세기 초 인류가 마침내 '실험실'에서 구현하고 '제어'할 수 있게 되었음을 선언한 상이었습니다.

세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드는 '양자역학'을 '철학'의 영역에서 '공학'의 영역으로 끌어내렸습니다.

그들이 개발한 '개별 양자 제어' 기술은, 1997년의 '원자 냉각' 기술과 더불어, 21세기를 '양자 정보 혁명'의 시대로 이끄는 가장 강력한 엔진이 되었습니다.