- 아래의 글은 양자광학이라는 올해 노벨 물리학상 수상 분야와 관련하여 영국의 과학저술가인 필립 볼(Philip Ball)이 <<프로스펙트(Prospect)>>에 기고한 글을 옮긴 것이다.
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양자물리학의 르네상스
The renaissance of quantum physics
양자물리학자에게 지금보다 더 좋은 시기는 결코 있었던 적이 없었다. 양자론의 토대는 일 세기 전에 놓여졌지만, 그 주제는 현재 르네상스를 즐기고 있다. 현대의 실험 기법들 덕분에, 알베르트 아인슈타인, 닐스 보어, 에르빈 슈뢰딩거, 그리고 베르너 하이젠베르크 같은 그 주제의 주창자들이 의견의 일치를 보지 못한 채로 두었던 근본적인 의문들을 탐구하는 것이 가능하게 되었다. 이제 우리는 이른바 양자 세계의 기묘함에 대해 고심하고 있을 뿐 아니라, 그것의 역설적 원리들을 실제로 사용하고 있다.
이것은 1997년 이래로 양자광학 분야에서 세 번의 노벨 물리학상이 수여되었다는 사실에 반영되어 있는데, 이번 주에 발표된 가장 최근의 노벨 물리학상은 꼴레쥬 드 프랑스의 세르주 아로슈와 미합중국 국립표준기술연구소 및 콜로라도 대학의 데이비드 와인랜드에게 돌아갔다. 이 두 과학자의 연구는 원자들과 다른 작은 입자들이 양자 규칙의 지배를 받는 방식을 조사하는 것과 관련되어 있기 때문에 "양자"이다. 그리고 그들은 그 연구를 수행하기 위해 빛을 사용하기 때문에 "광학"이다. 사실상, 빛 자체가 양자물리학에 의해 설명되는데, 빛은 (1905년 아인슈타인의 노벨상 수상 연구가 보여주었듯이) 광자라고 불리는 에너지 다발들로 이루어져 있다. "양자"라는 낱말은 원자 규모에서 세계의 이산적인 "알갱이 특성"을 서술하기 위해 1900년에 막스 플랑크에 의해 고안되었다.
양자 입자의 기본 원리는 그것의 에너지가 점진적으로 변화할 수 있기보다는 어떤 이산적인 양들에 한정되어 있다는 점이다. 자전거 바퀴는 어떤 속력으로도 회전할 수 있는 반면에, 양자 바퀴는 여러 개의 특정한 속력으로만 회전할 수 있으며 정확한 양의 에너지를 공급받을 때에만 그것들 사이를 도약할 수 있다. 결국 광자의 파장에 의해 결정되는(색깔이 다른 빛은 파장이 다르다) 정확한 에너지를 갖는 광자들을 흡수할 때 원자들은 에너지 상태들 사이의 이런 "양자 도약"을 실행한다.
플랑크의 시대 이후의 과학자들은 원자들의 이런 양자 상태들을 연구하기 위해 빛을 사용했다. 이것은 어려운데, 그것을 관찰하려면 상태를 변화시키는 것을 수반하기 때문이다. 아로슈와 와인랜드는 양자 상태들을 파괴하지 않은 채 그것들을 조사하는 방법들을 개척했다. 그것은 양자론의 근본적인 점들을 조사하는 데 중요할 뿐 아니라, 고정밀 원자 시계(GPS 시스템에 중요한)와 초고속 양자컴퓨터 같은 양자 거동의 어떤 응용들에 있어서도 중요하다.
와인랜드는 전기장 속에서 대전된 개별 원자들(이온들)을 포획하는 데 "원자 트랩"을 사용한다. 양자론의 반직관적인 한 결론은 원자들이 두 개 이상의 상이한 양자 상태들에 동시에 존재할 수 있다는 점인데, 이것은 중첩이라고 불린다. 일반적으로, 중첩 상태는 매우 민감하고, 그래서 우리가 그것을 보려고 할 때 파괴된다. 그런데 와인랜드는 레이저 광을 사용하여 포획된 이온들의 중첩 상태들을 파괴하지 않은 채로 조사하는 방법을 터득했다. 아로슈는 정반대의 작업을 수행했는데, 그는 빛의 개별 광자들을 두 거울 사이에 포획하고, 그것의 양자 상태를 교란하지 않은 채로 탐지하는 원자들을 광자를 향해 쏜다.
양자 상태들을 비파괴적으로 "읽어내는 것"은 양자컴퓨터에서 필수적인데, 양자컴퓨터에서는 많은 상이한 상태들이 한꺼번에 조사될 수 있도록 정보가 양자 중첩 상태들로 암호화된다. 이것이 어떤 문제들이 엄청나게 빨리 해결될 수 있게 하는 특성이다. "양자정보기술"은 서서히 현실이 되고 있으며, 양자광학을 스톡홀름에게 매우 인기 있게 만든 것은 틀림없이 근본적인 통찰과 실제적인 응용의 이런 조합이다. 양자물리학은 여전히 딴 세상의 일인 듯 보일지도 모르지만, 우리는 항상 그것을 더 많이 이용할 것이다.