지식보관소_ [최신뉴스]양자역학효과로 인한 새로운 물리현상 발견. 양자보안통신이 얼마 안남았다.

 

 

2020년 7월 20일 네이처지에서는

액시온 입자의 반데르발스 결합과 관련된

새로운 연구 결과가 올라왔습니다.

 

연구팀은 반데르발스 결합을 이루고 있는

삼황화인 니켈로 이뤄진 엑시톤에서

전자 1개가 여러 원자에 동시에 존재하는

새로운 물리현상을 발견했다고 설명했습니다.

 

 

 

양자역학은 현존하는 물리학 이론 중에

정말로 신기한 현상을 많이 보이는 이론입니다.

모든 에너지가 아날로그 값을 가지는 게 아니라

디지털 값 같은 양자 단위를 가진다는 [양자화]부터

빛이나 전자 같은 작고 빠른 입자들은

관측되기 전까지는 [파동으로만 존재]한다는 현상까지

이게 사실인가 의심하게 만들 정도로 신기한 현상들이 정말로 많죠.

 

심지어 우주에 존재하는 모든 입자는

관측을 하기 전에는 항상 입자가 아닌 상태로 존재를 하는데

빛이나 전자는 너무나도 작고 빨라서

이중슬릿을 지나서 스크린에 도달을 하는 그런 과정에서

아무런 관측이 일어나지 않기 때문에

이중슬릿 실험에서 스크린에 검출이 되기 전에

파동의 상태로 도달이 되는 것이고,

그 이외의 거대한 입자들도

스크린에 도달하는 동안 아무런 관측이 일어나지 않도록

그 무엇과도 상호작용을 하지 않고

완전한 진공에서 이중슬릿을 통과하게 된다면

최종 스크린에 도달하기 전까지는 입자가 아닙니다.

 

이는 전에 최신 이중슬릿 실험 영상에서도 한 번 설명했죠.

그런데 앞서 설명한 이야기들보다 더 흥미로운 현상은

바로 양자얽킴이라는 현상입니다.

양자얽힘은

원자 내의 전자는

[관측 전까지는 그 상태를 정확하게 알 수가 없다]라는

불확정성 원리에 기반하는데요.

예를 들어

우리가 무언가를 관측한다는 행위는

광자가 관측 대상에 부딪히고 나서

관찰자에게 도달하는 현상을 이야기합니다.

 

여기에서 문제는

관측이라는 행위가 일어나기 위해서는

그게 광자가 되었든, 전자가 되었든, 양성자가 되었든

어떤 무언가가 날아가서

관측 대상에 부딪혀야 한다는 것이고

전자 같은 작은 물질은

이 부딪히는 과정에서 엄청난 영향을 받게 됩니다.

 

 

우리 주변에 있는 물건이나 우리의 신체 같은 이런 거시계의 물체는

그깟 작은 광자가 하나 와서 이렇게 부딪힌다고 해도

별 영향이 없게 되지만

전자는 이 부딪히는 광자에 의해서 그 위치가 심하게 변하게 됩니다.

 

그래서 전자의 위치를 정확하게 알기 위해서

강력한 에너지의 광자를 사용하면

그 에너지로 전자의 속도가 너무나 크게 변해서

정확한 속도를 알 수가 없게 되고

만약 약한 파장의 광자를 사용한다면

반대로 전자의 위치를 정확하게 알 수가 없게 되는 것입니다.

 

우주에 존재하는 물리법칙 내에서는

무슨 수를 쓰더라도

전자의 위치와 속도를 변화시키지 않고서는

정확하게 관측하는 방법이 존재할 수가 없습니다.

 

결국 우주에 존재하는 물리 법칙으로는

관측 전까지는 정확한 상태를 알 수가 없으므로

과학자들은 관측 전에는

물체의 정확한 위치와 속도는 알 수가 없다고 생각하기로 했죠.

 

관측 전에는 그 상태가 확정되어 있지가 않다.

이것이 바로 불확정성 원리입니다.

 

 

관측 전에는 상태가 정해져 있지 않다라는 게

불확정성 원리의 핵심인데

문제는 서로 얽힌상태의 입자입니다.

 

얽힌상태의 입자라니, 이건 또 뭔 소리지?

하고 생각을 할 수가 있는데,

간단하게 설명해서

어떤 입자에 강력한 에너지를 투과시켜서

그 입자를 2개의 전자로 쪼갰다고 가정을 해보겠습니다.

 

우주에 존재하는 모든 입자는

질량, 전화량, 스핀 세 가지의 수치로 정의가 되는데

만약 두 개의 광자로 쪼개지기 전에 입자가

스핀 값이 제로였다면

쪼개진 후에 2개의 전자의 스핀 값의 총합도 제로가 되어야 합니다.

 

이는 각 운동량 보존 법칙 때문인데

에너지 보존 법칙처럼 각 운동 에너지량도 보존이 되기 때문이죠.

그런데 만약 두 개로 쪼개진 전자 중에 하나를 관측을 했는데

스핀 값이 마이너스 2분의 1이었다면

두 전자의 총 스핀 값은 제로가 되어야 하므로

다른 하나의 스핀 값은 관측할 필요도 없이

플러스 2분의 1이 되어야 하는 것이고

실제로 관측하면 플러스 2분의 1이 나오게 됩니다.

 

여기서 이렇게 각운동량 보존 법칙에 의해서

하나의 스핀 상태를 측정을 하게 되면

다른 하나의 스핀 상태까지 확정이 되게 되는

그런 상태에 있는 이 두 전자를 서로 얽혀 다라고 합니다.

 

문제는 만약 이렇게 얽혀 있는 전자 중의 하나를

로켓에 태워서 달까지 보내놓고 나서

나머지 하나를 지구에서 관측을 하게 되면

과연 어떻게 될까요?

 

지구에서 관측을 하는 순간

달에 있는 스핀의 상태가 결정이 되게 되고

달에 있는 전자가 계속해서 관측이 되지 않은 상태라면

달에 있는 전자의 스핀 값을 알고 있는 사람은

지구에서 관측을 한 사람밖에는 없을 것입니다.

 

거기다 불확정성 원리에 의해서

관측 전에는 전자의 상태가 정해지지 않는 것이기 때문에

이 전자의 정보는 관측자만 알 수가 있는

완벽한 암호로 사용이 될 수가 있습니다.

 

이러한 아이디어에서 착안한 것이 바로 양자암호통신입니다.

양자암호통신은

우주의 물리 법칙으로는

해킹이 절대로 불가능한 완벽한 보안입니다.

 

만약에 양자얽힘 상태의 광자를

해커가 중간에서 관측해서 스핀 값을 알게 된다면

관측 순간 결어긋남이 발생하게 되고

해킹을 당했다는 것을 알 수 있게 되죠.

 

이런 이유로 양자보안통신은

해킹이 불가능할 차세대 기술로 꼽히는데

양자보안통신이 실용화되기 위해서는

해결해야 할 사소한 문제들이 있습니다.

 

바로 안정적으로 얽힌 상태의 광자를 간단하게 생성해 내는 기술과

이러한 광자를 보내는 동안

상호작용이 일어나서 결 어긋남이 생기지 않도록 하는 기술이죠.

 

이렇게 얽힌 상태의 두 광자를 만들어 내는 기술을

[양자 암호키 분배기술]이라고 합니다.

이러한 양자 암호키 분배는

양자 보안 통신의 핵심 기술이자

해결해야 할 과제이기도 합니다.

 

하지만 얽힌 상태의 광자쌍을 생성하는 것이

쉬운 것은 아니었습니다.

뭐 지금까지는 말이죠.

 

 

2020년 7월 20일 네이처지에서는

엑시온 입자의 반데르발스 결합과 관련된 새로운 연구 결과가 올라왔습니다.

IBS, 서강대, 연세대, 고등과학원

이 4개의 공동연구팀이 참여한 이번 연구는

국내 연구진이 주도한 탓에 우리나라 언론에도 어그로를 끌고 있는데요.

 

연구팀은 반데르발스 결합을 이루고 있는

삼황화인니켈로 이뤄진 엑시톤에서

전자 1개가 여러 원자에 동시에 존재하는

새로운 물리현상을 발견했다고 설명했습니다.

 

엑시톤은

우리가 잘 아는 그래핀 같은 2차원 신소재에서

전자와 양공이 서로 짝을 이루는 그런 현상을 의미하는데요.

전기전자 공학이신 분은 다 아는 내용이겠지만

전자와 양공 같은 이런 내용을 모르시는 분들은

제가 이전에 올린 반도체의 원리편을 보고 오시면 됩니다.

 

아무튼 이런 엑시톤 구조 중에서

반데르 발스 결합을 이루는 삼황화인니켈에서

전자 1개가 여러 원자에 (동시에) 존재하는 그런 현상을 발견한 것입니다.

 

2차원의 물질은 흔하지만

자성을 띠는 2차원의 물질과 관련된 연구는 흔하지 않은데

이번 연구로 새로운 양자 상태가 확인이 된 것이죠.

 

양자 자성 다체 엑시톤

전자와 양공이 짝을 이뤄 움직이는 특이한 현상인 엑시톤이

자성을 이루는 현상인데요.

 

이번 발견이 중요한 이유는

엑시톤이 양자상태이면서 빛을 방출하기 때문에

양자정보통신에 사용될 주요 기술로 거론되어 왔기 때문입니다.

 

마치 슈뢰딩거의 고양이가 관측 전에 살아있거나 죽어있는 것처럼

전자 1개가 관측 전에 여러 개의 원자에 동시에 존재하는 현상도 물론 놀랍지만

또한 연구진이 발견한 것은

보통의 엑시톤보다 수백 배나 결맞음성이 높은 광자를 방출한다는 것입니다.

 

결맞음성이 높은 광자를 방출한다는 것은

얽힌 상태의 광자를 만들고

이를 양자보안통신에 이용하기에 유리하다는 의미입니다.

 

단순히 이번 연구진이 발견한 게

새로운 양자상태라는 것도 굉장히 놀랍지만

그걸 넘어서 실용적으로 사용될 가능성이 높은

새로운 물리현상이라는 것 또한 중요하죠.

 

물론 영상 초반에 얘기한 것처럼

양자역학의 기이한 현상들을 생각을 해보면

전자 한 개가 관측 전에 여러 개의 원자에

동시에 존재하는 게

그리 이상한 일이 아닐지도 모릅니다.

 

하지만 이런 연구들로 예상되는 소름 돋는 이야기 중의 하나는

현재까지 물리학계의 미스테리 중에 하나인

초전도 물질과 초전도 현상 또한

이번에 발견된 새로운 물리현상처럼

양자얽힘과 양자결맞음과 관련이 있을 가능성이 굉장히 높다는 것입니다.

 

제 생각에는 이번에 발견된 물리현상은

빙산의 일각으로

전자 하나가 여러 곳에 동시에 존재하는 이 원리를 이용해서

상온초전도체를 만드는 게 가능할지도 모를까 하는 생각이 들기도 합니다.

 

그럼 이런 더 신기한 과학 소식이

앞으로도 더 쏟아질 것으로 생각이 되는 만큼

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