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“아인슈타인마저도 끝내 받아들이지 못했던 양자역학의 실제 사례를 우리 일상 생활에서 발견할 수 있습니다. 양자얽힘과 양자역학을 이해하면 응용 분야가 무궁무진한 양자컴퓨터에 대한 이해도 키울 수 있어요.”
지난 19일 오후 3시, 서울 강남구 경기고등학교 화동관 멀티미디어실에 고등학생 60여명이 자리를 잡았다. 경기고를 졸업한 임지순 울산대 나노반도체공학과 석좌교수의 특별강연을 듣기 위해 자발적으로 참석한 학생들이었다. 담당 교사가 임 교수를 소개하 목수의아들 며 경기고 수석 졸업, 대입 전국 수석 같은 이력을 읽자 학생들 사이에서 환호성이 터져 나왔다.
임 교수는 멋쩍게 웃으며 ‘양자얽힘, 나도 이해하기-아인슈타인의 굴욕과 양자컴퓨터’라는 제목의 슬라이드를 켰다. 학생들은 이내 임 교수의 강연에 빠져들었다. 양자얽힘은 멀리 떨어진 두 양자정보가 서로 영향을 주고 받는 현상을 말하는데, 영향을 기업저축은행 주고 받는 속도가 빛보다 빠르기 때문에 양자 하나의 상태가 관측으로 확인되면 그와 동시에 다른 양자의 상태도 결정된다. 두 양자정보가 거리에 상관없이 얽혀있다는 뜻으로 양자얽힘이라고 부른다.
임 교수는 물리학을 전공하는 대학생들도 이해하기 힘든 양자얽힘을 여러 사례를 들어 설명했다. 루빅스 큐브가 대표적이다. 정육면체인 루빅스 큐브의 한 예쁜카드 면에는 9개의 정육면체가 놓여 있다. 이 큐브가 서로 다른 패턴을 가지는 경우의 수는 약 4300경(1경은 1만조) 개에 달한다. 최종 패턴, 즉 목표는 각 방향으로 돌아가는 작은 정육면체의 면을 같은 색깔로 맞추는 것이다.
임 교수는 “루빅스 큐브 경연 대회에 나서는 선수들은 보통 100 스텝 이내에 최종 패턴을 완성하고, 슈퍼컴퓨터를 nh투자선물 이용한 최소 스텝 해법은 약 20 스텝”이라며 “루빅스 큐브는 한 스텝에 8개의 조각이 동시에 움직이기 때문에 집단 연산에 의해 해법이 극도로 단축되면서 100 스텝 이내에 4300경 개의 경우의 수에서 해답을 찾을 수 있는 것”이라고 말했다.
양자컴퓨터는 0과 1의 상태가 중첩돼있는 ‘큐비트(qubit)’로 계산을 하는데, 이때 큐비트 jb우리캐피탈 하나의 상태만 정해져도 양자얽힘에 따른 다른 큐비트의 상태도 결정이 된다. 큐비트 하나하나를 계산할 필요가 없어 계산 속도가 빠를 수밖에 없다. 임 교수는 작은 조각들이 같이 움직이는 루빅스 큐브를 이용해 양자 하나의 상태가 정해지면 다른 양자의 상태도 정해진다는 양자 얽힘의 원리를 전달한 것이다.
1951년생인 임 교수와 이날 강연을 들은 학생들 사이에는 50년이 넘는 나이 차이가 있었지만, 물리학이라는 공감대로 이어졌다. 이날 강연을 들은 경기고 A학생은 “빛보다 빠르게 정보가 확정된다는 내용이 처음에는 의아했지만, 정보가 텔레파시처럼 간다는 설명이 재밌어서 더 알아봐야겠다는 생각이 들었다”고 말했다. 또 다른 학생은 “경기고 출신 교수님이 직접 오셔서 일상적인 통념을 벗어나는 양자역학만의 놀라운 속성을 쉬운 비유들로 설명해주셔서 좋았다”고 했다.



임지순 울산대 나노반도체공학과 석좌교수가 지난 19일 서울 강남구 경기고를 방문해 양자역학과 양자얽힘을 주제로 특강을 하고 있다./이종현 기자


이날 서울 도봉구 선덕고등학교에도 이 학교 출신 김근수 연세대 물리학과 교수가 방문했다. 오후 6시라는 늦은 시간이었지만 강연을 듣기 위해 선덕고 학생 50여명이 모였다. 김 교수는 1982년생으로 40대 중반의 나이에 불과하지만, 한국연구재단이 선정한 글로벌 리더연구자에 뽑힐 만큼 연구 능력을 인정 받고 있다.
김 교수는 양자컴퓨터의 원리를 소개하고, 동시에 몇 년 전 대한민국을 떠들썩하게 했던 초전도체도 강연 주제로 올렸다. 초전도 현상은 전류가 아무런 저항 없이 흐르는 것이다. 1911년 네덜란드의 물리학자인 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes)가 섭씨 영하 269도에서 처음 발견했다. 그는 이 공로로 1923년 노벨 물리힉상을 받았다.
고온 초전도체는 상온에서 초전도 현상을 구현하는 물질이다. 과학자들은 100년 넘도록 더 높은 온도, 상온에서도 작동하는 고온 초전도체를 찾고 있다. 상용화되면 거리 상관없이 무손실 송전(送電)이 가능해 에너지 혁명이 일어날 수 있다. 고성능 전자석도 만들어 자기부상열차와 핵융합 발전에 활용할 수 있다. 특히 양자컴퓨터 상용화도 앞당길 수 있다. 현재 양자컴퓨터는 극저온에서 작동하는 초전도체로 작동한다.
김 교수는 “고온 초전도체는 발견하기만 하면 노벨 물리학 수상이 예약돼 있다고 할 만큼 큰 이슈인데, 구체적으로 어떤 원리인지, 응용할 수 있는 분야는 어떤 곳인지 학생들에게 설명했다”며 “1시간 강연을 하고 질의 응답도 1시간을 더 할 정도로 학생들의 관심이 컸다”고 말했다. 김 교수는 지난 23일에는 여의도중학교도 방문해 학생들을 상대로 같은 강연을 했다.
그는 “대중 강연은 연구와는 성격이 조금 다르다 보니 하기 전에는 부담도 되지만, 막상 하고 나면 학생들에게 오히려 많은 에너지를 받고 오는 느낌”이라며 “어린 학생들이라 구체적인 과학 원리는 잘 모르더라도 초롱초롱한 눈빛에서 배우고자 하는 열망을 느낄 수 있다”고 말했다.
두 물리학자의 모교 방문은 한국물리학회 대중화위원회가 양자역학 100주년을 맞아 기획한 ‘모교를 찾아온 물리학자’ 강연의 일환이다. 물리학자 수십 여명이 5월에 모교를 방문해 학생들을 만났다.
한국물리학회 대중화위원장을 맡고 있는 이성빈 한국과학기술원(KAIST) 물리학과 교수는 “물리학자들이 모교를 찾아와, 과학자의 삶과 물리학의 즐거움을 후배들과 나누는 자리로 마련했다”며 " 과학에 대한 궁금증을 함께 이야기하고 진로에 대한 고민을 공감하며 응원하는 따뜻한 시간을 가졌다”고 말했다.
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