‘슈뢰딩거의 고양이’ 구출 가능하다 이거 레알임

‘슈뢰딩거의 고양이’는 노벨상을 수상한 오스트리아의 이론물리학자 에르빈 슈뢰딩거(1887~1961)가 양자물리학에서 양자 중첩과 예측불가능성을 나타내기 위해 실행한 유명한 사고실험으로 알려져 있다.

이 실험은, 밀폐된 무쇠 상자 속에 방사성 원자와 이 원자에서 방출되는 방사능에 의해 터지는 독가스 및 고양이를 집어넣었을 때 고양이가 살아있는지의 여부는 그 상자를 열어서 관찰하는 행위에 의해 결정되며, 따라서 관찰 행위가 결과에 영향을 미친다는 양자역학 이론을 설명해 준다.

학계에서는 그동안 이 상자 안에서 방출되는 방사능이 정확히 어느 시점에 고양이를 죽음에 이르게 할지는 예측할 수 없으며, 다만 통계적 수치만을 제시할 수 있다고 생각해 왔다.

그런데 미국 예일대 연구진은 최근 양자 도약을 예측하고 실시간으로 행동함으로써 고양이를 죽음의 운명으로부터 구출하는 방법을 발견했다고 과학저널 ‘네이처’(Nature) 온라인판 최근호에 발표했다.

연구팀은 이 과정에서 수년 동안 양자물리학에서 통용됐던 주요 기본 이론을 뒤집었다고 밝혔다.

이번 발견은 양자 정보를 포함하고 있는 인공 원자들의 임박한 도약을 조기에 경고할 수 있는 시스템 구축에 도움을 줄 것으로 보고 있다. 

슈뢰딩거의 고양이는 두 개의 반대 상태가 동시에 존재할 수 있다는 중첩(superposition)의 개념과 양자물리학의 예측불가능성을 설명하는데 사용되는 잘 알려진 역설이다.

양자물리학의 중첩 이론은 누군가가 상자를 열 때까지 고양이는 살아있으며 또한 죽은 상태라고 제시한다. 고양이를 관찰하기 위해 상자를 열면 양자 상태가 갑자기 무작위로 바뀌어 고양이가 죽거나 혹은 살아있는 상태로 만든다는 것이다.

양자 도약(quantum jump)이란 관찰될 때 비연속적으로 이산된(discrete) 무작위적인 변화를 말한다.

논문 제1저자인 즐라트코 미네프(Zlatko Minev) 박사는 예일대 미셸 드보레(Michel Devoret) 교수실에서 수행한 실험에서 처음으로 양자 도약의 실제 작동을 자세히 들여다볼 수 있었다.

이 실험에서 그는 덴마크 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)가 확립한 견해와 모순되는 놀라운 결과를 확인했다. 즉, 양자 도약은 이전에 생각한 것처럼 갑작스럽거나 무작위적이지 않았다는 사실이다.

전자나 분자 혹은 큐빗(qubit)으로 불리는 양자 정보를 가진 인공 원자 같은 작은 대상들에서, 양자 도약은 양자의 한 이산 에너지 상태에서 다른 상태로 급작스럽게 전환하는 것을 말한다. 양자컴퓨터 개발에서 계산상 오류 징후인 큐빗들의 점프는 중요하게 다뤄진다. 

수수께끼 같은 이 양자 도약은 이미 1세기 전 보어에 의해 이론화되었으나 원자에서는 1980년대까지 관찰되지 못했다.

데보레 교수(응용물리, 예일 양자연구소 멤버)는 “이 점프들은 큐빗을 측정할 때마다 발생한다”고 말하고, “양자 도약은 장기적으로는 예측할 수 없는 것으로 알려져 있다”고 설명했다.

미네프 박사는 “그럼에도 불구하고 우리는 점프가 곧 일어날 것이라고 미리 경고하는 신호를 받는 것이 가능한지 알고 싶었다”고 덧붙였다.

미네프 박사는 이번 실험을 양자궤도이론의 개척자이자 이번 논문의 공저자인 오클랜드대 하워드 카마이클(Howard Carmichael) 교수의 이론적인 예측에서 영감을 얻었다고 밝혔다.

이번 연구는 기초 이론에 충격을 던진 점 이외에도 양자 정보의 이해와 제어에 중요한 진전이 될 것으로 보고 있다. 연구팀은 양자 데이터를 안정적으로 관리하고 발생 오류를 바로잡는 일이 유용한 양자컴퓨터 개발에서 핵심적인 과제라고 설명했다. 

예일대 연구팀은 이번 실험에 초전도 인공 원자를 간접적으로 모니터링할 수 있는 특별한 방법을 사용했다. 세 대의 마이크로파 발생기로 알루미늄으로 만든 3D 공동(空洞)에 가둬진 원자에 마이크로파를 조사했다.

미네프 박사가 개발한 이중 간접 모니터링 방법으로 원자를 전례 없이 효율적으로 관찰할 수 있었다.

마이크로파 방사는 관찰하는 동시에 양자 도약이 일어나도록 인공 원자를 휘저어 놓았다. 이 점프들에 의해 발생하는 작은 양자 신호는 실온에서 손실 없이 증폭되고, 실시간으로 모니터링이 가능했다.

연구팀은 실험을 통해 마이크로파로 여기(勵起)된 부수적인 원자 상태에서 방출된 광자들이 갑자기 사라지는 것을 확인했다. 이 작은 결손이 바로 양자 도약의 ‘사전 경고’였다. 

데보레 교수는 “이 실험에서 시현된 멋진 효과는 관찰자의 관찰에도 불구하고 점프가 이뤄지는 동안에 일관성이 증가한다는 점”이라고 강조했다. 미네프 박사는 “누구나 이것을 이용해 점프를 포착할 수 있을 뿐 아니라 이를 뒤집을 수도 있다”고 밝혔다.

연구팀은 다음과 같은 점이 중요한 포인트라고 말했다. 양자 도약은 장기적으로 불연속적이고 무작위로 나타나지만, 양자 도약을 뒤집으면 양자 상태 진화는 부분적으로 결정론적이고 무작위적이지 않은 특성을 가진다는 것을 의미한다는 것. 즉, 양자 도약은 항상 임의의 시작점에서 예측 가능한 방식으로 동일하게 일어난다는 것이다.

미네프 박사는 “원자의 양자 도약은 화산 분출과 다소 유사하다”며, “장기간에 걸쳐서는 예측할 수가 없으나 정확한 모니터링을 통해 임박한 재난에 대한 사전 경고를 확실하게 감지함으로써 사태가 발행하기 전에 조치를 취할 수 있다”고 설명했다.