“Anyone who is not shocked by quantum theory has not understood it.”
양자물리학은 제가 “실존적 과학”이라고 부르는 분야입니다. 이것은 우주의 기이함과 장엄함과 우리를 직접 마주하게 하는 과학입니다.
또한 “유용한 과학”이기도 합니다. 수십억 또는 수조 달러 규모의 산업을 만들어낼 기술을 약속합니다.
물론 오해받는 과학이기도 합니다. 양자가 실제로 무엇이며 어디로 향하고 있는지 설명할 수 있는 사람은 인류의 100분의 1퍼센트도 되지 않습니다. 이 강의의 목표는 당신을 그중 한 명으로 만드는 것입니다.
“양자”의 의미
양자는 “부분으로 나뉘어 있다”는 뜻입니다. 과학자들이 전자나 광자 같은 미세 물체를 다루기 시작했을 때, 직관에 반하는 동작을 목격했고 이를 “양자” 동작이라고 불렀습니다. 이 동작들은 우리가 알고 있던 세계의 모델에 들어맞지 않았습니다.
예를 들어, 우리의 기존 모델은 사물이 위치 같은 명확한 속성을 가지며, 항상 그 위치를 측정할 수 있다고 말합니다. 그러나 전자는 그렇게 행동하지 않습니다. 전자는 마치 정해진 위치에 있지 않은 것처럼 행동합니다. 입자가 아닌 구름처럼 행동하면서, 멀리까지 영향을 미칠 수 있음을 증명합니다. 과학자들은 이를 “위치”를 넘어선 개념이라는 의미에서 중첩이라 명명했습니다.
이후 50년 동안 과학자들은 이러한 관찰을 새로운 우주 모델에 통합했습니다. 이 모델은 사실 더 관대해서, 우리가 가능하다고 생각하지 못했던 것들을 허용합니다. 예를 들어, 전자와 광자가 명확한 위치, 방향, 속도를 가질 필요가 없게 했습니다.
이 새 모델은 기존 모델보다 훨씬 정확한 것으로 드러났습니다.
그 후 양자는 물리학을 장악했습니다. 세계 최대 물리학회인 2025년 APS Global Physics Summit에서 전시업체의 75% 이상이 양자와 관련되어 있었습니다.
양자가 가능하게 하는 것
이제 양자역학 100년의 진전이 결실을 맺고 있습니다. 우리가 세계에 대해 가졌던 많은 가정을 깨뜨릴 수 있는 새로운 양자 기술이 시장에 등장하고 있습니다. 몇 가지 예시입니다.
더 나은 진단
우리는 일반적인 빛으로 볼 수 있는 가장 작은 물체에 한계가 있다고 가정해 왔습니다. Ernst Abbe는 이를 회절 한계라 명명했습니다. 더 작은 것을 보려면 전자현미경을 발명해야 했고, 이마저도 자체적인 한계가 있습니다.
회절 한계를 깰 수 있는 새로운 양자 현미경이 개발되었습니다. 이 현미경은 빛의 양자적 성질을 이용해 바이러스만큼 작은 물체까지 볼 수 있습니다.
더 빠른 컴퓨터
어떤 문제들은 컴퓨터로 결코 풀 수 없다고 여겨졌습니다. 그 대표적인 두 가지가 다음과 같습니다:
- 인터넷 전반에서 사용되는 2048비트 "RSA" 암호를 깨는 일.
- 분자 특성을 예측하는 일. 이것이 가능해지면 완전히 새로운 종류의 의약품을 설계할 수 있습니다.
그러나 이제 우리는 두 가지 모두 가능하다는 사실을 알고 있습니다. 당연히 암호가 깨지는 것은 세상에 좋은 결과가 아닙니다. 그렇기 때문에 우리는 이러한 기술을 매우 신중하고 잘 이해한 채로 다뤄야 합니다.
안전한 통신
인터넷으로 정보를 보낼 때, 누군가 몰래 정보를 복사했는지 보장할 방법은 없다고 여겨졌습니다.
그러나 이제 우리는 양자가 세계 최초의 도청 불가능한 통신을 가능하게 한다는 사실을 알고 있습니다.
세 가지 기초 개념
양자에는 단 세 가지 기초 개념이 있습니다:
- 측정
- 중첩
- 양자 얽힘
다음 가이드들에서 이 각각의 기본 개념을 깊이 있게 배우게 됩니다.