양자역학 100주년: 미래를 여는 전환점

[객원 에디터 8기 / 이유슬 기자] 2025년은 양자역학 탄생 100주년을 기념하여 ‘세계 양자과학기술의 해(IYQ)’로 지정되었다. 양자역학은 분자, 원자, 기본 입자 등 미시세계의 현상을 다루는 현대물리학의 한 분야이다. 양자역학은 미시세계의 비밀을 풀어내며 현대 과학의 혁신을 이끌어왔고 양자 컴퓨터, 양자통신 기술의 연구처럼 첨단 기술 발전의 중심이 되고 있다. 

양자역학의 시작

1925년, 베르너 하이젠베르크는 기존 원자 모형의 문제를 해결하기 위해 숫자 배열을 활용한 새로운 아이디어를 제안하였다. 막스 보른과 그의 제자 파스쿠알 요르단은 이를 수학 개념으로 정리하여 양자역학 최초의 수학적 체계를 만들어내었다. 그리고 이들은 같은 해, 이 내용을 더욱 정교하게 가다듬은 형태로 만든 삼부작 논문을 발표하며 ‘행렬역학’이라는 체계로 양자역학의 기초를 다졌다.

양자 컴퓨터

양자 기술 중 가장 주목받는 기술은 양자 컴퓨터이다. 기존 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 2진수를 사용한다면 양자 컴퓨터는 0과 1의 상태를 동시에 갖는 큐비트를 사용한다. 양자 컴퓨터에는 원자 하나하나를 분리하여 큐비트로 제어할 수 있는 상태로 만드는 방식이 쓰인다. 이 방식은 동시에 여러 가지 상태를 처리할 수 있어 복잡한 문제를 효율적으로 해결할 수 있으며 기존 컴퓨터의 한계를 뛰어넘는 연산 능력을 제공한다. 이러한 양자 컴퓨터의 특징은 앞으로의 기후 변화 예측, 신약 개발, 물류 최적화 같은 분야에서 탁월한 성능을 발휘할 것으로 기대된다. 하지만 큐비트는 외부 환경에 민감하여 오류율이 높기 때문에 안정적인 대규모 양자 컴퓨터를 구현하기 위해서는 오류 정정 기술이 필수적이다. 아직 양자 컴퓨터를 둘러싼 물리적으로 수많은 난제들이 남아있기 때문에 국가, 연구소, 기업별로 다양한 방법들을 시도하고 있다. 최근 구글과 같은 기업들이 오류 감소에 진전을 보이고 있으며, 점차 양자 컴퓨터의 생산과 상용화를 향한 기대를 높이고 있다. 

양자통신 기술

양자통신 기술이 다양한 분야에서 활용될 일도 머지않았다. 양자 기술 중 양자통신은 양자들을 멀리 떨어진 곳으로 전송하거나, 멀리 떨어져 있는 양자들을 서로 연결하는 기술을 지칭한다. 양자통신 분야 중 상용화가 가장 먼저 이루어진 기술은 양자암호통신 기술로, 이 기술을 통해 현대 암호통신에서 가장 중요한 사용자의 암호 비밀키를 양자를 이용해 통신상에서 안전하게 보호할 수 있다. 양자암호통신을 이용하면 암호 비밀키 정보를 중간에 도청자가 탈취할 수 없으며, 양자가 갖는 복제 불가능성 및 측정하면 양자 상태가 붕괴되는 특성 때문에 도청자가 측정을 통해 정보를 획득한 후 똑같은 양자를 복제해 보내는 것도 불가능하다. 중국은 인공위성을 통해 7600km의 장거리 양자통신을 시연하여 이 분야의 선두 주자로 나섰으며 미국과 유럽도 통신망을 활용한 양자 네트워크 실험을 성공적으로 진행하고 있다. 이러한 기술은 해킹을 원천적으로 차단할 수 있기에 앞으로도 금융, 국방, 의료 데이터 보안 등 다양한 분야에서 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다.

양자역학의 발전은 단순한 이론적 성취뿐만 아니라 실용적인 기술 혁신으로 이어지고 있다. 2025년은 양자역학 100주년을 맞이하여 양자 기술의 미래적 가능성에 주목해야 할 시점이다. 아직 해결해야 할 기술적 과제가 많지만, 이러한 발전이 실행된다면 양자 기술은 미래의 과학과 산업을 혁신적으로 변화시킬 것이다.