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[EBS 뉴스]

서현아 앵커
4차 산업혁명 시대를 맞아 데이터 보안이 중요해지고 있습니다.
미국과 중국 등 선진국은 획기적으로 보안성을 높이는 '양자암호 통신' 기술에 힘을 쏟고 있는데요.

오늘 뉴스브릿지에서 자세히 살펴보겠습니다.
이효종 과학커뮤니케이터와 함께합니다.

어서 오세요.

서현아 앵커
최근 과학계의 화두가 '양자역학'이죠.
AI에 이어 미래를 바꿀 차세대 기술로 통하고 있다고요?

이효종 과학커뮤니케이터
양자역학은 원자와 같은 작은 입자가 외부로부터 에너지를 어떻게 흡수하고, 또 외부로 어떻게 에너지를 방출하는가를 잘 이해하기 위해 만들어진 학문입니다.

그런데 과학자들이 양자역학을 연구하다 보니 어느 한 입자 안에 넣을 수 있는 에너지의 크기가 특정한 양으로 정해져있다거나, 전자의 위치와 특성을 관측 도구로 알아차리기 전까지는 알 수 없다거나 하는, 우리의 직관으로는 이해하기 힘든 현상들이 나타난다는 사실을 알게 된 것이죠.

그런데 또 하나 아주 독특한 특징을, 양자역학을 연구하는 과학자들은 알아냈는데요.

그것은 바로 어느 한 전자와 다른 전자가 서로 얽혀 있어서, 한 쪽의 전자의 정보만 알면 다른 한 쪽의 전자의 정보를 바로 알 수 있다는 특징입니다.

이것을 '양자 얽힘'이라고 합니다.

서현아 앵커
그런데 이 입자의 상태가 원래부터 결정되어 있는 것이 아니고, 한 입자를 관측하거나 측정하는 순간에 또 다른 입자의 상태가 결정되기도 한다고요?

이효종 과학커뮤니케이터
네, 그리고 바로 이 양자 얽힘을 이용한 통신 기술이, 양자통신 기술입니다.

무려 2022년의 노벨물리학상의 영광은 바로 이 양자 얽힘 현상, 즉 양자정보과학 분야의 연구를 개척한 과학자들의 손에 들어갔을 정도입니다.

알랭 아스페, 존 프랜시스 클라우저, 그리고 안톤 차일링거가 그 영광의 주인공들입니다.
아마 이 소식을 만약에 아인슈타인이 들을 수 있다면 무덤에서 뛰쳐나올지도 모르겠습니다.

20세기 초의 천재 물리학자이자, 중력에 대한 연구를 통해 시간과 공간의 패러다임을 완전히 바꾼 과학자, 알베르트 아인슈타인은 양자역학의 선구자인 닐스 보어와의 언쟁에서, '신은 주사위놀음을 하지 않는다.'는 말과 함께 양자세계의 입자들이 확률적으로 존재한다는 사실을 받아들이지 않았던 것으로 유명합니다.

서현아 앵커
그러니까 물리적 성질은 고유하게 존재한다고 보는게 아인슈타인과 같은 사실주의자들인데, 양자 역학자들은 측정하는 순간 물리적 성질이 생긴다고 보는 건가요?

이효종 과학커뮤니케이터
네 맞습니다.

이 때문에 1935년, 아인슈타인은 자신과 같은 견해를 가진 포돌스키, 로젠과 함께 양자이론의 모순에 대한 문제점을 담은 논문을, 자신의 전문 분야인 '시공간'을 곁들여 학계에 던졌는데, 이것이 바로 그 유명한 EPR 역설입니다.

서현아 앵커
EPR, 아인슈타인, 포돌스키, 로젠의 이니셜을 딴건데 그렇다면 이 내용은 양자역학의 상대성 원리와는 같이 갈 수 없다는 걸 보여줄 것 같습니다.

실제로 어떤 내용이었습니까?

이효종 과학커뮤니케이터
간단하게 EPR 역설에 대해 설명하면 다음과 같습니다.

어느 양자적 입자의 한 쌍이 있어서, 이들이 가지는 스핀의 총합은 0이지만, 각각의 스핀은 +1인지, -1인지 확률적으로 알 수 없는 두 입자가 아주 멀리 떨어져 존재한다고 가정해보겠습니다.

어느 하나의 입자를 관측했는데, 그 입자의 스핀이 -1임을 알았습니다.

그러면 떨어진 다른 하나의 입자는 자연적으로 +1의 스핀을 가지고 있다는 것을 알게 될 텐데, 이렇게 되면 크게 2가지의 모순점이 생깁니다.

하나는 양자역학을 지지하는 학자들이 주장하는 바인, 측정하기 전까지는 확률적으로 존재한다는 양자역학의 원리, 즉 실재성(Reality)에 위배된다는 모순이 생깁니다.

다른 하나는 만약 이 두 입자가 빛의 속도로도 쉽게 도달하지 못 할 만큼 멀리 떨어져 있음에도 불구하고, 정보를 전달하는 유일한 매개체인 빛보다 빠르게 관찰자에게 정보를 전달했다는 측면에서 상대성이론의 원리인 국소성(Locality) 위배된다는 모순이 생깁니다.

아인슈타인은 이와 같은 모순점 2가지를 양자역학을 연구하는 과학자들에게 제시함으로써, 양자역학의 결론이 허술하다는 사실을 보이고자 했습니다.

서현아 앵커
이 논문에서 그러니까 이 3명의 저자가 양자역학의 기술 방식에 모순이 있다, 완전히 할 수 없다는 결론을 내린 겁니다.

그리고 이를 실험적으로 증명하기 위해서 또 부등식을 발표한 학자가 있다고요?

이효종 과학커뮤니케이터
1964년 유럽입자물리연구소(CERN)에서 근무하던 영국의 물리학자, 존 스튜어트 벨은 아인슈타인이 제안한 EPR 역설을 증명할 수 있는 어느 수학적인 부등식을 제안했습니다.

EPR이 가정한 입자 쌍이 만약에 양자이론을 따르지 않는다면 실험적으로 만족해야 할 부등식인 것입니다.

이것을 '벨 부등식'이라고 부릅니다.
다시 말해 벨은, EPR 역설을 보다 실험적으로 구현하기 쉬운 조건을 만들어 준 셈입니다.

실험을 할 수 있다는 것이 알려졌으니 이제는 그 방법을 찾아서 검증하는 일은 실험 물리학자들 손에 들어가게 될 텐데요.

미국의 실험물리학자였던 존 클라우저는 1969년에 칼슘 원자를 활용해 광자성 실험을 했는데요.
이 EPR 쌍이 벨 부등식을 위배하는 것을 역사 상 처음으로 확인해내는 실험에 성공했습니다.

아인슈타인이 틀렸다는 거죠, 이와 같은 실험의 내용은 "국소 현상의 숨은 변수 이론을 테스트하기 위해 제안된 실험"이라는 제목의 논문으로 세상에 공개되었죠.

서현아 앵커
그런데 존 클라우저 실험에는 일부 허점이 있었는데 앞서 말씀해주신, 노벨상을 받은 알랭 아스페가 이 실험의 허점을 보완했다고 해요?

이효종 과학커뮤니케이터
프랑스의 물리학자 알랭 아스페는 초음파를 이용해 광자가 투과하는 매질에 규칙적인 밀도 변화를 줍니다.

빛을 통과할 때 편광 선택을 자연스럽게 일어나게 했고요.

이를 통해 측정을 했을 때 두 광자쌍 사이에 영향을 미치지 않도록 하는 방식으로 결과를 얻어낼 수 있었습니다.

이로써 EPR 쌍이 진짜로 얽혀 있다는 것이 증명되었습니다.

게다가 아스페는 아인슈타인이 지적한 비국소성, 다시 말해서 정보를 빚보다 빨리 왜 전달하는가라고 하는 것에 대한 좋은 설명을 내놓았는데요.

한 쌍의 멀리 떨어진 양자 EPR 쌍의 정보들 중 가까운 쌍의 정보를 알았음에도, 멀리 떨어진 양자 EPR쌍의 정보가 실제로 관찰자에게 도착하기 전까지는 여전히 그 정보를 알 수 없다는 설명이 바로 알랭 아스페의 설명인 것입니다.

서현아 앵커
이러한 양자 얽힘 연구가 양자 기술이 상용화될 수 있는 기반을 마련했다고 볼 수 있겠습니다.
마지막으로 전하고 싶은 말씀이 있을까요?

이효종 과학커뮤니케이터
19세기 말에서 20세기 초 처음 발견된 양자물리학은 20세기 중반 양자이론의 성립과 함께 미시적 세계를 설명하는 가장 이상적인 원리로 나타났습니다.

반도체 집적회로와 레이저 등의 미시세계 원리를 필요로하는 도구들의 기본 원리를 만들었기 때문에 우리가 그런 것들을 사용할 수 있는 것이잖아요.

그리고 오늘날인 21세기, 이제 양자중첩과 양자 얽힘 등 양자이론은 새로운 정보통신기술의 모태가 되어줄 것을 여실히 보여주고 있습니다.

양자기술은 곧, 우리 삶에 밀접하게 다가올 것을 예고하고 있습니다.

양자암호통신과 양자알고리즘, 양자센서 등의 새로운 기술의 장의 초입에 있는 우리들은, 도래할 양자기술에 대해 어떤 준비를 해야 할 것이며, 어떻게 우리가 이걸 이해해 볼 수 있는지에 대해서 생각해 보면 좋을 것 같습니다.

서현아 앵커
양자기술은 미래 사회의 모습을 완전히 바꿔놓을 핵심 기술로 꼽히는데요.
기술 패권을 잡기 위한 국가 간의 경쟁도 치열해질 것 같습니다.

오늘 말씀 잘 들었습니다.