노벨물리학상에 美 와인랜드·佛 아로슈

[박계현기자] 노벨위원회는 9일 노벨 물리학상 수상자로 미국의 데이비드 와인랜드 미국국립표준기술연구소(NIST) 박사와 프랑스의 세르지 아로슈 콜레주드프랑스 양자물리학 학장을 공동 선정했다고 발표했다.

와인랜드는 전기를 띤 이온, 원자를 레이저광을 통해 전달받을 수 있는 방법을 개발했고, 이 방법은 아주 정확한 원자시계나 이온 양자 컴퓨터를 만드는 기초가 됐다.

아로슈 교수는 와인랜드 박사와는 전혀 다른 방향의 연구로, 와인랜드가 이온을 가둬놓고 빛을 측정하는 방법을 택했다면, 와인랜드는 아주 정밀도가 높은 거울로 빛을 가둬놓고 공동 사이에 있는 빛의 상태를 관찰하는 방법을 개발했다.

이 두 가지 방법이 현대물리학이 주목하고 있는 양자컴퓨터를 만드는 기본적인 방법 중 하나가 됐다.

제원호 서울대 물리학과 교수는 "원자시계는 와인랜드 교수의 업적에 가깝고, 양자계산은 하로쉬 교수의 업적에 가깝다"며 "양자역학의 형태를 연구하는데 있어서 원자 하나와 광자 하나, 이온 하나와 광자 하나, 굉장히 간단한 물리 시스템으로 양자역학의 가장 기본적인 원인들을 증명하고 실험적으로 구현한 것"이라고 설명했다.

양자역학의 기본 원리는 0과 1 사이에 다양한 중첩상태가 존재한다는 것이며, 와인랜드와 아로슈의 실험은 중첩 상태에 있는 원자를 빛을 통해 측정하고 조작할 수 있다는 것을 증명한 것이다.

두 사람의 연구는 가장 기본적인 양자시스템을 증명하고 조작해, 이후 양자역학이 다양하게 활용될 수 있는 길을 열었다.

제원호 교수는 "액체 상태, 고체 상태 등 원자들이 모여있는 상태에서 실험을 할 경우, 기본적인 양자역학의 원리에 대해 설명하기 위해 여러 단계를 거쳐야 하지만 간단한 양자계를 실험적으로 증명할 경우 해석에 있어서 모호하거나 애매한 상황이 없고, 직접적이고 확실하다"고 설명했다.

두 사람의 연구가 응용된 대표적인 분야인 양자 컴퓨터는 퀀텀 비트(Q비트)를 다룬다. 반면, 일반적으로 사용되는 슈퍼컴퓨터는 0과 1을 통해 계산하는 디지털방식이 사용된다.

김제완 고등과학원 교수는 "디지털 방식인 슈퍼컴퓨터의 대수가 10대, 100대 늘어난다면, 계산공간이나 속도 또한 기껏해야 10배, 100배 늘어난다"며 "와인랜드, 아로슈의 이론을 응용한 양자컴퓨터는 0과 1 사이에 이론적으로 수많은 중첩상태가 존재하는 Q비트로 계산되며, Q비트는 증가할 경우 2의 N승 단위로 정보량이 늘어난다"고 설명했다.

아로슈 교수와 와인랜드 박사는 두 개의 Q비트로 실험했으며, 현재 양자컴퓨터는 10개의 Q비트, 2의 10승 정도의 정보량을 처리할 수 있는 수준으로 개발됐다. 아직 디지털 컴퓨터보다 훨씬 나은 양자 컴퓨터를 만들 수 있는 상황은 아니다.

김제완 고등과학원 교수는 "Q비트 10개면 수백 비트 정도의 계산기에 불과하지만, Q비트가 300개가 된다고 하면 10의 18승 개 정도를 넘어간다"며 "300개의 Q비트를 쓰면 2의 300승 값을 계산할 수 있으며, 이는 우주의 모든 원자 개수보다 더 많은 양"이라고 설명했다.

국내에서도 와인랜드 박사와 아로슈 교수의 이론을 응용한 광시계가 개발되고 있다.

권택용 표준연구원 시간센터 센터장은 "원자시계는 크게 이온을 이용하는 형식과 세슘 원자를 이용하는 형식, 두 가지 개발방식이 있는데 현재 표준연구원에선 세슘 원자를 이용하고 있다"며 "아로슈 교수의 연구는 원자시계를 개발하는 과정에서 이온을 냉각해 정확한 시계를 제작하는데 이용되고 있다"고 설명했다.

원자시계는 1초라는 시간단위의 표준을 만들어내는 시계로 시간 단위 뿐 아니라 다른 분자의 표준 등 기초과학 분야에서 정확한 표준을 만들어내는 역할을 한다.

노벨상은 1901년 이후 매년 시상하며 생리의학상·물리학상·화학상·문학상·평화상·경제학상 등 6개 분야로 나뉘어 수상자를 선정한다.

노벨위원회는 2천명의 피추천인을 대상으로 매년 추천을 받으며, 추천인은 한 사람당 3명의 학자를 추천할 수 있다.

시상식은 매년 12월10일 스웨덴 스톡홀름에서 열리며, 각 분야 당 800만 스웨덴 크로나(미화 약 120만 달러)의 상금이 지급된다.