‘양자 얽힘’ 검증한 3인 노벨물리학상 공동수상

고전 양자역학 이론 실험으로 증명
세계 첫 양자통신 시연에도 성공
“양자기술 새 시대 위한 토대 마련”

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회가 4일(현지 시간) 올해 노벨 물리학상 수상자를 발표하고 있다. 스크린 왼쪽부터 알랭 아스페 프랑스 파리사클레대 교수 겸 에콜폴리테크니크 교수, 존 클라우저 미국 존클라우저협회 창립자, 안톤 차일링거 오스트리아 빈대 교수. 스톡홀름=AP 뉴시스

2022년 노벨 물리학상은 양자 얽힘 현상을 검증하고 양자컴퓨터 등 양자기술 시대를 여는 데 공헌한 물리학자 3명에게 돌아갔다.

스웨덴 왕립과학원 노벨위원회는 알랭 아스페 프랑스 파리사클레대 교수 겸 에콜폴리테크니크 교수(75), 존 클라우저 미국 존클라우저협회 창립자(80), 안톤 차일링거 오스트리아 빈대 교수(77)를 올해 노벨 물리학상 수상자로 선정했다고 4일(현지 시간) 밝혔다.

노벨위원회는 “획기적 실험을 통해 얽힌 상태의 입자를 조사하고 제어할 수 있는 가능성을 보여준 물리학자들에게 상을 수여한다”며 “이들 연구는 양자기술의 새로운 시대를 위한 토대를 마련했다”고 밝혔다.

양자컴퓨터와 양자 암호 통신 등 양자와 관련된 기술을 구현하는 핵심 원리는 서로 떨어져 있는 두 입자가 하나의 입자처럼 행동하는 양자 얽힘 현상이다. 동전에 앞면과 뒷면 두 개의 면이 있다고 치자. 2개의 동전을 던져 어떤 면이 나오는지 따지게 되면 4가지 경우의 수가 나온다. 먼저 던진 동전과 뒤에 던진 동전이 서로 독립적 사건이기 때문이다.

하지만 양자역학에서는 이야기가 다르다. 동전 두 개가 얽혀 있다. 먼저 던지는 동전이 앞이 나오면 뒤에 던지는 동전도 앞이 나오게 할 수 있다. 동전 간 거리가 멀어져도 반대쪽 동전이 어떤 면이 나왔는지 알 수 있다. 이 현상을 물리학에서는 양자 얽힘이라고 한다.

양자 얽힘 현상은 알베르트 아인슈타인과 에르빈 슈뢰딩거를 통해 이론으로 증명됐다. 1964년 존 벨은 ‘벨의 부등식’을 통해 기존에 제안된 양자역학 이론이 성립하지 않는다는 점을 제시했다. 벨의 부등식이 등장한 뒤 이를 실험적으로 검증하려는 노력이 이어졌다.

클라우저 창립자는 벨의 부등식을 발전시켜 실제 실험을 진행했다. 이 연구는 벨의 부등식이 위배된다는 점을 증명하며 기존 고전 양자역학 이론이 성립함을 증명했다. 다만 클라우저의 연구 역시 몇 가지 허점이 존재했다. 아스페 교수는 1982년 이런 허점을 채우는 연구를 진행했다. 레이저로 칼슘 원자를 들뜬 상태로 만들어 이 상태가 다시 바닥상태로 떨어질 때 방출되는 얽힌 상태의 광자를 실험했다. 벨의 부등식을 완전히 깨버렸다는 평가다.

차일링거 교수는 이론과 실험으로 증명된 양자 얽힘 현상을 실제 활용한 연구를 제시했다. 차일링거 교수는 양자 상태를 한 입자에서 멀리 떨어진 입자로 이동할 수 있는 ‘양자 순간이동’이라는 현상을 시연했다. 세계 최초로 양자통신 실험에 성공했다.

올해 노벨 물리학상 수상자 3명은 1000만 스웨덴크로나(약 13억5000만 원)의 상금을 나눠 갖는다. 시상식은 알프레드 노벨의 기일인 12월 10일 스웨덴 스톡홀름에서 열린다.