양자도약을 예측하다: 양자역학의 입문과 현재까지

일상생활에서 '도약(Jump)'이라는 단어는 주로 스포츠 선수가 높이 뛰어오를 때 쓴다. 뛰어오르는 선수는 바닥을 차고 공중에 머물다가 정점에 도달하는 매끄러운 궤적을 거친다. 하지만 미시 세계의 원자 속으로 들어가면, 우주의 상식을 박살 내는 기괴한 점프가 일어난다. 바로 '양자 도약(Quantum Leap)'이다. 전자가 낮은 에너지 궤도에서 높은 궤도로 올라갈 때, 중간 공간을 거쳐서 날아가는 것이 아니라 1번 궤도에서 뿅 하고 사라진 뒤 시간의 지연 없이 2번 궤도에서 마술처럼 즉시 뿅 하고 나타난다. 중간 과정이 아예 삭제된 완벽한 '공간 텔레포트'다. 아인슈타인조차 "신은 이런 미친 주사위 놀이를 하지 않는다"며 혐오했던 이 무작위적인 유령의 춤사위는 100년 넘게 물리학자들을 절망에 빠뜨렸다. 그런데 최근 과학자들은 언제 일어날지 모르는 이 미친 양자 도약의 타이밍을 '미리 예측'하고 심지어 도약하는 중간에 강제로 멈춰 세우는 데 성공했다. 확률의 지배에서 벗어나 신의 주사위를 훔치려는 양자 물리학의 최전선으로 들어가 보자.

닐스 보어와 에너지의 계단

양자 도약이라는 괴물을 처음 발견한 사람은 1913년 닐스 보어(Niels Bohr)였다. 그는 원자 속의 전자가 아무 데서나 돌고 있는 것이 아니라, 1번 궤도, 2번 궤도처럼 특정한 '계단(에너지 준위)'에만 존재할 수 있다고 주장했다. 문제는 전자가 1층에서 2층으로 올라가거나 내려올 때, 1.5층이라는 공간 자체가 아예 존재하지 않는다는 점이었다. 그래서 전자는 1층에서 스르륵 미끄러져 올라가는 것이 아니라, 빛(광자)을 훅 삼키는 그 찰나의 순간 1층에서 소멸하고 2층에서 창조되는 기괴한 점프를 해야만 했다. 이것이 양자 도약이다. 과학자들은 전자가 '언제' 도약할지, 그리고 '왜' 도약하는지 도무지 알 수 없었다. 전자의 움직임은 오직 '확률(Probability)'로만 계산될 뿐, 관측하기 전까지는 언제 튀어 오를지 모르는 팝콘처럼 완벽한 무작위(랜덤)에 지배당했다.

슈뢰딩거의 저주, 확률적 중첩

에르빈 슈뢰딩거는 이 무작위성이 너무나 혐오스러웠다. 그는 양자 도약을 비판하기 위해 유명한 '슈뢰딩거의 고양이' 사고 실험을 제안했다. 방사성 물질이 붕괴(양자 도약)하여 독가스가 나오면 고양이가 죽고, 붕괴하지 않으면 산다. 양자역학자들의 말대로라면 관측하기 전까지 전자는 도약한 상태와 도약하지 않은 상태가 '동시에 겹쳐(중첩)' 있으므로, 상자 속 고양이도 '죽은 상태와 산 상태가 겹쳐 있는' 기괴한 유령이어야 한다는 통렬한 조롱이었다. 하지만 슈뢰딩거의 조롱이 무색하게도, 수십 년에 걸친 수만 번의 정밀 실험 결과 자연은 정말로 관측하기 전까지 두 가지 상태가 미친 듯이 겹쳐 있는 중첩(Superposition) 상태임이 완벽하게 증명되었다. 양자 도약은 예고도 징후도 없이 번개처럼 일어나는 절대적인 우연의 영역으로 굳어졌다.

신의 주사위 패턴을 읽어내다

그런데 2019년, 미국 예일대 연구진이 물리학계의 교과서를 찢어버리는 엄청난 실험 결과를 발표했다. 그들은 인공 원자(초전도 큐비트)를 극저온에 가둔 뒤 마이크로파를 쏘아 양자 도약을 유도했다. 그리고 아주 미세하고 은밀한 관측 장비(보조 큐비트)를 이용해 찰나의 순간을 미친 듯이 들여다보았다. 놀랍게도, 눈 깜짝할 새 일어나는 무작위적인 텔레포트인 줄 알았던 양자 도약 직전에, 인공 원자의 신호(에너지 상태)가 마치 화산이 폭발하기 전 땅이 미세하게 떨리듯 아주 미세하게 윙윙거리며 변하는 '전조 증상(비행 궤적)'이 포착된 것이다! 양자 도약은 점(소멸)과 점(창조)이 아니라, 빛의 속도보다 빠른 아주 짧은 찰나 동안 일어나는 '연속적인 과정'이었다.

도약을 멈추고 운명을 뒤집다

더 충격적인 것은 그다음이었다. 연구진은 전자가 양자 도약을 하려고 폼을 잡는 그 전조 증상(경고음)을 감지하자마자, 재빨리 반대 방향의 마이크로파(빛)를 역으로 쏘아보냈다. 그러자 2번 궤도로 펄쩍 뛰려던 전자가 도약의 중간에서 강제로 붙잡혀 취소되고 다시 1번 궤도로 주저앉아 버렸다. 마치 동전을 던졌을 때 앞면이 나올 확률을 공중에서 낚아채어 강제로 뒷면으로 뒤집어버린 것과 같은 기적이었다. 100년 동안 닐스 보어와 아인슈타인조차 예측할 수 없다고 포기했던 맹목적인 '확률의 폭주'에 인간이 개입하여 운명을 통제(역전)하는 데 성공한 것이다. ![양자 도약을 제어하고 예측하려는 인류의 시도를 나타내는, 떠 다니는 데이터 스트림으로 둘러싸인 미래 지향적인 빛나는 양자 컴퓨터 코어](https://image.pollinations.