양자 (Quantum) 란?
양자 (Quantum) 는 에너지의 최소단위를 말한다.
예를 들어 뉴턴을 포함한 고전 물리학자들은 빛의 최소 단위는 '광자' (Photon) 라는 매우 작은 입자라고 생각했다.
하지만 19세기 이후 물리학자들은 실험을 통해 빛은 파동의 성질도 갖고 있다는 것을 밝혀냈다. 이후 물리학자들은 빛이 입자인지 파동인지 두고 논쟁을 벌이기 시작했다. 그러던 중 물리학자 닐스 보어는 빛이 상태가 입자일지 파동일지는 확률적으로 존재하며 관측 전까지는 입자와 파동이 "중첩된 상태 "라고 말했다.
가장 대표적인 예로 < 슈뢰딩거의 고양이> 실험이 있다. 밀폐된 불투명한 상자 속에 고양이와 독가스가 든 병이 들어 있다고 가정했을 때 독가스가 든 병은 50%확률로 깨질 수 있고 깨지지 않을 수도 있다. 그렇다면 옆에 있던 고양이는 상자를 열어 확인하기 전까지 반반의 확률로 살아있는 상태이거나 죽어 있는 상태란 것이다. 이 슈뢰딩거의 실험은 양자 세계에서의 중첩되는 현상을 설명하는데 좋은 예인 것이다.
이해하기 어렵지만 매우 작은 양자 세계에서는 일반적인 상식을 벗어나는 일들이 일어 날 수 있다. 이를 '양자 현상'이라 부르고 양자 현상을 적용한 기술을 '양자 기술'이라고 부른다.
양자 컴퓨터 ( 양자 현상- 중첩 )
양자 현상에서 가장 중요한 개념은 '중첩'이다. 단어에서 말하는 것 처럼 두 상태가 겹쳐져 있는 현상을 말한다. 앞서 예를 든 '슈뢰딩거의 고양이'가 살아 있으면서도 동시에 죽어 있다는 의미의 '중첩'이다.
양자 기술하면 가장 먼저 떠오르는 '양자 컴퓨터'의 핵심 원리이기도 하다. 컴퓨터는 일반적으로 숫자 '0'또는 '1' 이 비트로 정보를 처리하는데 양자 컴퓨터는 '0'과 '1' 이 중첩된 '큐피트' (Qubit)를 사용해 더 빠르고 많은 정보를 처리할 수 있다 . 다시 말하면 예전에는 1비트가' 0' 또는 '1' 둘 중 하나의 값만을 처리 할 수 있었는데 1큐피트는 0과 1을 동시에 처리할 수 있기 때문에 2배 더 빠른 것이다. 2 큐피트는 4배, 3큐피트는 8배.... 처리 속도가 2배씩 늘어난다. 만약 양자 컴퓨터가 상용화 된다면 기술 발전 속도가 기하급수적으로 빨리 지게 된다.
양자 인터넷 ( 양자 현상 - 얽힘 )
양자 인터넷을 활용하면 공간의 제약없이 즉각적으로 정보를 주고 받을 수 있게 된다.
'양자 인터넷'의 원리가 되는 <얽힘>은 양자 세계에서 두 입자가 물리적으로 멀리 떨어져 있더라도 서로 연결된 상태를 말한다. 예를들어 엄마와 딸이 있는데 둘은 각각 독립된 개체라서 엄마가 다치더라도 딸이 아프지는 않다. 그런데 둘을 양자 세계의 입자라고 생면 엄마가 다치면 딸도 아픔을 느끼게 된다. 즉, 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 서로가 한 몸인 것처럼 즉각적인 반응을 보인다.
이러한 '얽힘'을 활용한 것이 양자 인터넷이다. 양자 인터넷은 시간이 지연되지 않고 즉각적으로 정보를 공유할 수 있기 때문에 엄청나게 빠른 정보 전달을 할 수 있을 뿐만 아니라 앞서 언급한 중첩까지 적용하면 한 번에 많은 용량의 정보를 전달 할 수 있다.
얽힘은 두 입자 간의 거리와 무관하게 일어나는 현상이기 때문에 양자 인터넷은 거리의 제약 없이 세계를 넘어 우주까지 연결 할 수 있게 된다.
양자 센서 ( 양자 현상 - 불확정성 )
양자 세계에서 불가능한 것이 있는데 그것은 양자의 위치와 운동량을 동시에 측정하는 것이다. 이것을 '불확정성의 원리'라고 한다. 일반적으로 날아가는 공을 초고속 카메라로 찍으면 위치와 속도를 알 수 있는데 양자 세계에서는 이러한 측정이 불가능하다.
양자 세계의 매우 작은 입자들은 위치를 정확히 측정하려면 운동량이 불확실해지고, 운동량을 정확히 측정하려면 위치가 불확실해진다. 하지만 불확정성의 원리를 역으로 생각해 보면 보다 정밀한 측정이 가능하다. 운동량을 불확실하게 유지하면 위치를 더 정확하게 측정할 수 있고, 위치를 불확실하게 하면 운동량을 좀 더 정확하게 측정할 수 있다. 여기에 빠른 치리 속도까지 더해진다면 정확하면서도 많은 데이터를 측정 할 수 있게 된다.
양자 센서의 이러한 특성을 이용해 인간의 미세한 생체 신호를 더욱 빠르고 정밀하게 관측하여 앞으로 발생 할 수 있는 이상세포를 감지해 조기 암 진단에 도움이 될 수 있다. 또한 지구에서 일어나는 미세한 변화를 감지해 기후 변화를 정밀하게 관측함으로써 재해 발생 시간, 위치, 규모등을 정확하게 예측 할 수 있을 것이다.
초전도체 ( 양자 현상 - 양자 터널링 )
초전도체는 매우 낮은 온도에서만 작동하기 때문에 제한적인 상황에서 사용할 수 있다. 하지만 양자 기술을 활용하게 되면 상온에서 작동하는 초전도체를 만들 수 있게 된다.
양자 세계에서는 입자가 에너지 장벽을 뛰어 넘어 버리는 '양자 터널링' 현상이 발생하는데 마치 유령이 어떠한 저항 없이 벽을 통과하는 것처럼 전자가 저항 없이 절연층을 뛰어넘어 이동하는 초전도 현상을 발생 시킬 수 있다.
전자가 이동하는데 저항이 발생하지 않는다는 의미는 원래 전기는 송전 과정에서도, 사용하는 과정에서도 저항으로 인한 손실이 발생하는데 이러한 저항이 사라진다는 것은 전기의 손실이 줄어 에너지 효율이 높아진다는 말이다. 그렇게 되면 지구의 가장 큰 문제중의 하나인 에너지 문제도 해결 할 수 있는 가능성이 높아진다 할 수 있다.
초전도체가 사용화되면 에너지 수요가 급증하는 상태에서도 태양광, 풍력등 친환경 에너지만으로도 충분히 안정적으로 에너지를 공급할 수 있다.