“양자 넌 도대체 뭐니?”
과학기술을 전공한 사람이든, 전공하지 않은 사람이든 참 설명하기가 곤란하고 힘든 질문입니다. 최대한 양자 본질에 대한 의미를 훼손하지 않으면서 질문자가 직관적으로 이해할 수 있도록 답해보려 노력하지만, 정확한 의미를 전달하는 데 성공한 적은 단 한 번도 없는 것 같습니다.
양자란 과연 무엇일까요? 양자를 설명하기에 앞서서 양자에 대한 두 가지 오해를 꼭 풀었으면 합니다. 첫째, 양자는 나와는 전혀 상관없는 우주의 다른 쪽 끝에 있는 무언가처럼 멀리 있다는 생각입니다. 우리 주변의 모든 것들은 모두 원자로 구성돼 있습니다. 물건들을 쪼개고 또 쪼개면 더는 쪼갤 수 없는 것까지 도달하는데, 그것이 원자입니다. 이러한 원자들은 ‘양자역학의 법칙’에 따라 행동합니다. 양자역학의 법칙이란, 예를 들어 원자들의 위치는 특정 위치로 결정되는 것이 아니라 항상 확률적으로만 설명할 수 있다는 것입니다. 미시 세계의 양자에는 거시 세계와는 전혀 다른 물리 법칙이 적용된다는 의미입니다. 양자가 나와 전혀 상관없는 것이 아닌 우리 주변에 항상 존재하는 이유입니다.
두 번째, 양자는 물리학자들이 쓸데없이 만들어낸 괴상한 어떤 새로운 것이라는 생각입니다. 1900년대 초부터 아인슈타인을 포함한 수많은 노벨상 수상자들이 원자 수준의 미시 세계에서 벌어지는 현상을 치열하게 연구했습니다. 하지만 기존 고전 역학으로 설명하는 데는 실패하며 새로운 가설들을 증명하는 과정에서 양자 역학이 탄생했습니다. 물리학자들이 임의대로 괴상한 무언가를 만든 것이 아니라, 미시 세계에서 반복적으로 나타나는 현상들을 설명하기 위해 선보인 학문입니다.
그렇다면 어떤 현상들이 물리학자들을 새로운 학문의 영역으로 끌어들였을까요? 대표적인 현상이 중첩과 얽힘입니다. 중첩은 여러 상태가 동시에 공존한다는 것입니다. 예를 들어 관찰하기 전에는 어떤 공의 색깔이 동시에 빨간색일 수도 파란색일 수도 있다는 것입니다. 주머니 속 공을 빼내기 전에는 두 가지 색깔 중 하나로 결정돼 있지 않고, 두 가지 색깔이 될 수 있는 확률이 모두 있다는 것입니다. 공을 빼내어 확인할 때야 비로소 빨간색 또는 파란색 둘 중 하나의 색깔로 결정된다는 것입니다. 이상하죠? 또 하나의 대표적인 특징이 얽힘입니다. 우리가 모르는 무언가로 연결돼 있어서 멀리 떨어진 두 물체 사이에 상관관계를 갖는다는 것입니다. 지구에 있던 주머니에서 공 색깔이 무엇인지 확인하기 위해 꺼내 보는 순간 달에 보낸 주머니 속의 공은 확인하지 않더라도 특정한 색깔로 결정된다는 것입니다.
양자 현상을 기반으로 기존에 불가능했던 일들을 가능하게 만드는 무언가를 만들 수 있습니다. 최근에 많은 주목을 받는 양자컴퓨터, 양자 통신, 양자 센서들이 대표적입니다. 이것들이 개발된다면 세상이 어떻게 바뀔까요? 예를 들어 새로운 소재나 약을 개발하는 과정은 매우 많은 시간과 노력이 필요해 수퍼컴퓨터와 인공지능 알고리즘을 이용합니다. 하지만 그 계산이 너무 부정확하고 아직 충분히 빠르지 않기 때문에 획기적인 발전을 가져오진 못했습니다.
물질의 구성 요소인 원자들은 양자 현상을 보이기 때문에 양자 컴퓨터로 어떤 양자 현상을 획기적으로 정확하고 빠르게 계산할 수 있습니다. 만약 양자 컴퓨터를 신소재와 신약 개발에 활용한다면 엄청난 경쟁력을 가지게 될 것입니다. 양자 센서는 지금까지 고전 센서가 감지하지 못한 아주 미약한 자연계의 신호도 감지할 수 있습니다. 예를 들어 양자 MRI는 기존의 MRI보다 훨씬 더 정밀한 영상을 더 정확하게 촬영할 수 있을 것입니다. 양자 통신은 해킹에 절대 안전한 통신은 물론이고 양자컴퓨터, 양자 센서와 같은 양자 기기들을 연결해 양자 클라우드 컴퓨팅, 양자 센서 네트워크 등을 가능하게 할 것입니다. 지금 상상하지 못하는 새로운 응용 분야들을 창출할 수 있을 것이라 생각합니다. 인터넷이 처음 개발된 때에는 상상하지 못했던 현대 사회의 변화만큼 양자 통신이 실현되었을 때 등장하게 될 양자 인터넷은 미래 사회를 크게 바꿀 것입니다.