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2025년은 ‘세계 양자 과학기술의 해(International Year of Quantum Science and Technology)’다. UN이 양자역학 100주년을 기념해 지정했다. 100년 전, 베르너 하이젠베르크는 양자역학의 첫 수학적 틀인 행렬 역학을 개발했다. 오늘날 AI를 넘어 미래 과학의 새로운 지평을 열고 있는 양자 과학기술의 역사와 현재, 미래를 살펴봤다.

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양자 과학기술을 대표하는 기술로 크게 세 가지를 꼽습니다. 양자 컴퓨팅, 양자 센싱, 양자 통신. 이번 특집은 양자 컴퓨팅과 양자 센싱에 주목했습니다. 양자 통신을 심층적으로 2023년 1월호 특집 ‘양자역학적 순간이동’ 기사와 함께 보길 추천드립니다.

지금으로부터 100년 전인 1925년, 베르너 하이젠베르크는 양자역학을 최초로 수학적으로 표현한 행렬 역학을 만들었다. 과학자들이 이전 수십 년 동안 치열한 고민의 결과로 양자 개념을 제시했기에 가능했다. 그렇게 현대 물리학에 등장한 양자 개념은 과학은 물론 인류의 삶을 변혁했다. 그 역사를 시기에 따라 크게 세 단계로 나눠 정리했다.

양자역학의 주요 특성

미국의 물리학자 리처드 파인만은 1965년 “양자역학을 이해한 사람은 아무도 없을 것”이라는 말을 남겼다. 양자역학이 다루는 미시세계의 작동 원리가 우리가 접하는 세상과는 너무나도 다르기 때문이라는 의미였다. 그 반직관적인 특성을 조금이나마 이해할 수 있도록, 양자역학의 세 가지 특성을 정리했다.

물리학이 완성됐다고 생각했던 순간, 양자역학이 시작됐다

19세기 말, 사소한 문제 하나가 견고해 보이던 고전 물리학의 기반을 조용히 흔들기 시작했다. 고전 역학을 사용해 흑체 복사를 계산하던 중 자외선 파장대에서 무한대의 에너지가 쏟아져나오는 ‘자외선 파탄’ 문제가 발생한 것이다. 1900년, 독일 물리학자 막스 플랑크는 흑체가 뿜어내는 에너지가 ‘양자’라 불리는 덩어리 형태로 나온다는 이상한 가정을 해서 문제를 풀어냈다. 우연히 도입된 양자라는 개념은 이후의 물리학은 물론 현대 과학과 우리의 삶을 완전히 바꿔버렸다.

1900~1925 | 양자 개념 도입기

고전 물리학이 설명할 수 없는 흑체 복사 문제(자외선 파탄)를 해결하기 위해 도입된 양자화 가설 이후 양자 개념이 물리학에서 퍼졌다. 과학자들이 양자를 통해 빛과 원자 구조, 입자에 대한 새로운 해석을 내놓으며 양자역학의 발전이 본격화됐다.

1925~1930, 양자역학이 완성되다

이 시기는 가히 양자역학의 결정적 순간이었다. 행렬 역학에 이어 1926년, 에르빈 슈뢰딩거가 파동 역학으로 입자의 상태를 파동으로 설명했다. 그 결과 1927년 하이젠베르크는 불확정성 원리를 완성한다. 1927년에 열린 5차 솔베이 회의도 있다. 당대 가장 유명한 물리학자들이 모였던 이 회의에서 아인슈타인과 보어가 양자역학에 관한 치열한 논쟁을 벌였다. 우리가 아는 양자역학의 존재론적 모습은 이때 드러났다.

1927~1980 | 양자역학의 확장

양자역학은 물리학뿐만 아니라 모든 과학과 공학 분야의 발전을 이끌었다. 미시 세계의 동작 원리가 설명되며, 물질과 우주의 구조부터 화학 결합, 원자의 상호작용 등을 이해할 수 있게 됐다. 특히 양자역학은 전자기기의 발전 또한 이끌며 인류의 삶에도 깊숙이 파고들었다.

1980~현재 | 양자 과학기술의 발전

비결정론적 특성, 양자 얽힘 등 양자역학의 여러 특성을 활용한 새로운 응용 기술 발전이 시작됐다. 정보의 전송, 해석, 처리를 연구하는 양자 정보 과학기술은 오늘날 인류의 삶을 또 한 번 바꿀 ‘게임 체인저’로 꼽히고 있다.

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