우리 중 많은 사람들에게 고급 물리학은 처음부터 이해하기 어려울 수 있으며, 이는 누군가가 해당 분야를 더욱 발전시켜 노벨상을 받을 때마다 더욱 인상적입니다. 최근 노벨 물리학상 수상자는 양자역학의 획기적인 실험으로 상을 받은 세 명의 과학자(John Clarke, Michel H. Devoret, John M. Martinis)입니다.
양자 물리학은 특히 아원자 입자와 힘에 초점을 맞춘 분야의 하위 분야입니다. 믿을 수 없을 정도로 미시적인 수준에서 우리의 일상 경험을 지배하는 물리학의 기본 규칙은 매우 다르게 작동합니다. 사실 양자 물리학의 많은 부분은 여전히 이론적이며 오늘날 일하는 가장 똑똑한 과학자들에 의해 거의 이해되지 않습니다. 심지어 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)조차도 중첩, 결정론, 얽힘을 포함하는 양자역학의 아이디어에 대해 악명 높게 어려움을 겪었으며 이를 완전히 “원거리에서의 으스스한 작용”이라고 불렀습니다. 기본적인 양자 역학을 설명하기 위해 일반적으로 사용되는 방법 중 하나는 빛이 파동과 입자로 동시에 존재한다는 것을 보여주는 이중 슬릿 실험입니다.
이러한 양자 현상은 본질적으로 실험 결과를 관찰하는 것을 어렵게 만듭니다. 특히 관찰 행위 자체가 실험 대상에 영향을 미치는 상호 작용의 한 형태라는 것이 이 분야의 핵심 구성 요소이기 때문입니다. 양자 역학에서 연구되는 입자는 믿을 수 없을 만큼 작기 때문에 실험을 수행하고 이론을 증명하거나 반증하려는 시도는 극히 어렵습니다. 현대 사회에서 가장 권위 있는 상 중 하나인 Clarke, Devoret 및 Martinis를 획득한 것은 육안으로 관찰할 수 있는 방식으로 특정 양자 원리를 증명할 수 있게 한 세 사람의 실험입니다. 이로 인해 해당 분야에서 모든 종류의 발전이 가능해졌습니다.
과학자들은 40년 전에 수행된 실험으로 상을 받았습니다.
많은 노벨상 수상자들의 경우와 마찬가지로 Clarke, Devoret 및 Martinis에게 영예를 안겨준 발견은 실제로 수십 년 전에 이루어졌습니다. 1984년과 1985년에 수행된 실험에서는 컴퓨터 칩 내의 초전도 회로를 관찰하는 작업이 포함되었습니다. 이는 분명히 꽤 작지만 양자 역학에서 일반적으로 연구되는 개별 입자에 비해 확실히 거대합니다(또는 “거시적”).
이 실험을 통해 에너지 준위 양자화와 양자 터널링이라는 두 가지 양자 현상이 입증되었습니다. 양자 터널링은 입자가 충분한 에너지가 없어도 장벽을 통과할 수 있는 현상인 반면, 에너지의 양자화는 아원자 입자가 정해진 양만큼만 에너지를 방출하고 흡수하도록 제한하는 특성입니다. 이러한 발견이 40여년 전에 이루어졌기 때문에 그 발견이 실제 세계에 미치는 영향과 Clarke, Devoret 및 Martinis의 연구가 우리 삶에 얼마나 많은 영향을 미쳤는지 확인할 시간이 많이 있었습니다.
이 영향은 지난 수십 년 동안 매우 중요했기 때문에 세 사람에게 노벨 물리학상을 수여하는 사례를 만드는 것은 쉽습니다. 노벨물리위원회 위원장인 올레 에릭손(Olle Eriksson)에 따르면 “오늘날 양자역학에 의존하지 않는 첨단 기술은 없다”며 클라크, 데보레, 마르티니스의 실험을 통해 광섬유 케이블, 휴대폰, 기타 일상 기술이 개발됐다고 합니다. 그들의 작업은 또한 현대 세계에 더욱 혁명을 일으킬 수 있는 훨씬 더 진보된 전자 장치, 즉 방금 NYC에서만 진행된 것과 같은 양자 컴퓨터를 향한 길을 선도하고 있습니다.
양자 컴퓨터란 무엇입니까?
양자 컴퓨팅은 다른 양자 역학과 마찬가지로 이해하기 까다로울 수 있습니다. 매우 단순화된 버전은 양자 역학을 사용하여 이진 시스템을 사용하는 기존 컴퓨터보다 더 빠르고 포괄적으로 생각하는 양자 컴퓨터를 생각하는 것입니다. 바이너리는 전통적인 컴퓨터가 켜짐이나 꺼짐, 또는 1과 0의 두 가지 상태 중 하나로 존재할 수 있는 트랜지스터를 사용한다는 사실을 의미합니다. 반면에 양자 컴퓨터는 바이너리 비트를 큐비트라는 양자 입자로 대체합니다. 큐비트는 양자 역학 덕분에 가능한 모든 구성으로 동시에 존재할 수 있습니다.
실제로 정보는 1이나 0으로 표시되는 것이 아니라 동시에 두 가지 상태로 표시될 수도 있고 다른 상태로 표시될 수도 있습니다. 데이터를 계산할 때 이러한 상태 중첩은 양자 간섭을 통해 일부를 취소하고 다른 일부는 증폭함으로써 범위를 좁힐 수 있으며, 후자는 양자 회로 계산에 대한 솔루션입니다. 전 세계 여러 양자 컴퓨터를 연결하면 오늘날의 인터넷보다 더 빠르고 정확하며 안전한 양자 인터넷이 탄생할 수도 있습니다.
이 컴퓨터 과학 및 엔지니어링 분야는 지난 몇 년 동안 빠르게 발전해 왔으며 실제 응용 프로그램의 가능성이 점점 가까워지고 있습니다. 양자 컴퓨팅이 과대광고에 부응한다면 이전과는 비교할 수 없는 첨단 기술과 발견의 멋진 신세계를 잠재적으로 창출할 수 있습니다. 이는 지난 150년 동안 전기와 현대 통신이 세계에 미친 영향과 유사합니다. John Clarke, Michel H. Devoret 및 John M. Martinis의 연구는 이러한 현실을 향한 큰 진전입니다. 이것이 바로 양자 물리학이 우리의 머리를 감싸기 힘들음에도 불구하고 세 사람이 노벨상을 수상한 것은 당연한 일입니다.
