양자와 고전 사이에 '중간 물리' 영역 존재한다

[아시아경제 정종오 기자]물리 영역에 또 다른 새로운 영역이 존재하는 것으로 밝혀져 관심을 모으고 있다.

기존 물리는 양자물리와 고전물리로 나눠져 있었다. 양자물리는 원자나 소립자 등 미시 세계의 현상을 기술하는 물리 이론으로 입자도 파동처럼 간섭(중첩) 현상을 나타낸다는 사실을 기초로 하고 있다. 반면 고전물리는 양자물리가 등장하기 전에 만들어진 이론으로 주로 거시 세계의 현상을 설명하는데 양자물리의 핵심인 간섭(중첩) 현상이 반영되지 않았다.

기존의 이 두 물리 체계와 다른 '중간 영역'이 존재한다는 사실이 국내 연구진에 의해 처음으로 밝혀진 것이다. 이는 물리학계가 지금까지 정설로 받아들이던 이론과 전혀 다른 새로운 것으로 앞으로 이론적·실용적 측면에서 큰 반향을 일으킬 것으로 전망된다.

포스텍 김윤호 교수(40) 연구팀은 다중 입자의 양자 간섭 실험을 통해 양자물리적 특성에서 고전적 특성으로 변해가는 과정(양자-고전 전이)을 연구한 결과, 양자물리와 고전물리 중간에 존재하는 새로운 물리영역을 발견했다.

양자 간섭(Quantum interference)은 광자, 전자, 분자와 같은 입자가 마치 파동처럼 상쇄 또는 보강 간섭을 일으키는 현상으로 고전물리와 구분 짓는 가장 중요한 특징이다.

김 교수팀은 다중 입자의 경우, 양자 간섭이 일어나는 과정이 매우 복잡하기 때문에 '양자-고전 전이'도 기존에 알려진 것과 달리 복잡한 양상을 보일 수도 있을 것이라고 생각했다.

연구팀은 다중입자(광자 4개)를 만든 후 양자 간섭을 점차 약화시켜 양자-고전 전이가 일어나도록 조치하자 기존의 예상(단조적 전이 현상)과는 확연히 다른 새로운 현상(비단조적인 전이 현상)이 관측됐다. 지금까지 학계에서는 양자-고전 전이가 일어날 때 물질의 특성은 단조적으로만 변한다고 인식해 왔다. 그러나 이번 연구에서 발견된 비단조적인(증가→감소→증가 등 복잡한 양상을 나타내는 것) 전이 현상은 양자물리와 고전물리의 단순한 조합으로는 도저히 설명되지 않는 새로운 물리영역이 존재한다는 사실을 입증한 것.

이번 연구결과는 다입자계에서 나타나는 새로운 물리영역을 발견함으로써 '양자-고전 전이'에 관한 기존의 패러다임에 변화를 일으킬 뿐만 아니라, 미래형 최첨단 컴퓨터인 양자 컴퓨터를 개발하는 데 기여할 것으로 기대된다.

양자컴퓨터는 기존 컴퓨터와 달리 한 개의 처리장치로부터 수많은 계산을 동시에 처리할 수 있어 정보처리량과 속도가 종전의 컴퓨터에 비해 월등히 앞선 미래형 최첨단 컴퓨터를 말한다.

김 교수는 "양자물리와 고전물리의 중간영역에는 단순히 양자물리와 고전물리만으로 설명할 수 없는 새로운 물리영역이 존재한다는 사실이 이번에 발견된 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@