[표지로 읽는 과학] 양자역학 100주년, 새로운 전환을 앞두다

사이언스 제공

이번 주 사이언스 표지에는 양자역학의 핵심 개념인 파동함수를 상징하는 그리스 문자 Ψ(프시)를 형상화한 그래픽이 실렸다. 원자 세계를 기술하는 수학적 표현을 시각적으로 나타낸 것이다.

사이언스는 이번 호를 '양자 100주년 특집호'로 구성했다. 올해는 1925년 베르너 하이젠베르크와 에르빈 슈뢰딩거가 서로 다른 방식으로 원자 세계를 기술하는 수학적 형식을 제시하며 양자역학의 토대를 마련한 지 100년이 되는 해다.

20세기 초 물리학은 원자의 거동을 이해하기 위한 새로운 수학적 형식의 등장을 계기로 큰 전환점을 맞았다. 양자 원리는 표준모형부터 레이저, 태양전지, 반도체 칩에 이르기까지 현대 과학기술의 기반이 돼 왔다.

특집 서문에서는 양자역학이 지난 세기 동안 쌓아온 이론적 성과와 다양한 연구·기술 분야의 발전을 조망했다. 특히 수십 년에 걸쳐 정밀하게 다듬어진 양자 상태 제어 기술이 양자컴퓨팅, 양자 암호, 양자 시뮬레이션과 같은 '두 번째 양자 혁명'의 기반이 되고 있음을 강조했다. 세 분야 모두 기존 고전적 방식보다 훨씬 강력한 성능을 구현할 잠재력을 지닌 것으로 평가된다.

양자역학이 직면한 난제도 빠지지 않았다. 미시 세계를 지배하는 양자역학과 중력을 설명하는 일반상대성이론을 하나의 이론으로 통합하지 못한 점을 '우주를 이해하는 데 남아 있는 큰 공백'으로 지적했다. 사이언스는 미해결 난제가 양자역학의 탄생에 비견되는 새로운 전환점을 불러올 가능성에 주목했다.

양자 기술은 이미 다양한 분야에서 중요성이 커지고 있다. 양자 상태를 보존하기 위한 소재 연구, 얽힘과 초전도체를 활용한 양자컴퓨터 개발, 원자 단위에서 신호를 다루는 정밀 센서 기술 등 여러 응용이 진전되며 연구 영역도 빠르게 확장되고 있다. 물리학·재료과학·정보과학이 융합하는 새로운 학문 지형이 만들어지고 있다.

사이언스는 지난 100년 동안 양자역학이 현대 과학의 이해 방식과 연구 방향을 크게 변화시켜 왔다고 평가했다. 양자 상태를 이해하고 제어하려는 노력은 앞으로도 기초과학과 기술혁신의 핵심 축이 될 것으로 전망했다. 중력과 양자의 통합 문제를 비롯한 미해결 과제들이 또 한 번의 근본적 변화를 이끌 잠재력이 있다는 분석도 덧붙였다.

<참고자료>
- doi.org/10.1126/science.aee0656
- doi.org/10.1126/science.adz8659
 

[조가현 기자 gahyun@donga.com]