양자물리와 고전물리 중간에 새로운 물리영역이 존재한다는 사실이 국내 연구진에 의해 처음으로 밝혀졌다. 이것은 물리학계가 지금까지 정설로 받아들이던 이론과는 전혀 다른 새로운 것으로서, 향후 이론적ㆍ실용적 측면에서 큰 반향을 일으킬 것으로 전망된다. 

양자물리는 원자나 소립자 등 미시세계의 현상을 기술하는 물리 이론으로, 입자도 파동처럼 간섭(중첩) 현상을 나타낸다는 사실을 기초로 하고 고전물리는 양자물리가 등장하기 전에 만들어진 물리이론으로, 주로 거시세계의 현상을 설명하며, 양자물리의 핵심인 간섭(중첩) 현상이 고려되지 않는다.  

포스텍 김윤호 교수(40세)  연구팀(라영식, 임향택, 권오성 박사과정생)과 독일 프라이부르크 대학 이론연구진과의 공동연구로 진행된 이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하는 모험연구인 일반연구자지원사업과 핵심연구인 중견연구자지원사업의 지원으로 수행되었고, 세계적으로 권위 있는 과학전문지인 ‘미국립과학원회보(PNAS)’ Early Edition에 1월 7일자로 게재되었다. (논문명: Nonmonotonic quantum-to-classical transition in multiparticle interference)  

김윤호 교수 연구팀은 다중 입자의 양자 간섭* 실험을 통해 양자물리적인 특성에서 고전적인 특성으로 변해가는 과정(양자-고전 전이)을 연구한 결과, 양자물리와 고전물리 중간에 존재하는 새로운 물리영역을 발견하였다. 

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

지금까지 양자물리와 고전물리 사이의 영역은 양자물리와 고전물리를 단순히 조합하여 설명할 수 있다고 알려져 왔고, 수많은 물리학자들은 이를 당연한 것으로 받아들였다. 이것은 양자-고전 전이가 일어날 때 물질의 특성은 단조적(점점 강해지거나 약해지는 것)으로 변한다고 알려져 왔기 때문이다.

그러나 김 교수팀은 다중 입자의 경우, 양자 간섭이 일어나는 과정이 매우 복잡하기 때문에 양자-고전 전이도 기존에 알려진 것과 달리 복잡한 양상을 보일 수도 있을 것이라고 생각하였다.

따라서 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)을 관측하였다. 지금까지 학계에서는 양자-고전 전이가 일어날 때 물질의 특성은 단조적으로만 변한다고 인식해 왔으나, 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 입증한다.

이번 연구결과는 다입자계에서 나타나는 새로운 물리영역을 발견함으로써 양자-고전 전이에 관한 기존의 패러다임에 변화를 일으킬 뿐만 아니라, 미래형 최첨단 컴퓨터인 양자 컴퓨터를 개발하는 데에도 크게 기여할 것으로 기대된다. 

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

김윤호 교수는 “양자물리와 고전물리의 중간영역에는 단순히 양자물리와 고전물리만으로 설명할 수 없는 새로운 물리영역이 존재한다. 이번 연구결과로 다입자에 관한 연구, 예를 들면 양자 얽힘 현상이나 상보성 원리연구 등에도 크게 기여할 것으로 전망된다”고 연구의의를 밝혔다. 

양자 얽힘(Quantum entanglement)은 여러 양자계 사이에 존재하는 특별한 상관관계를 의미하며, 양자통신, 양자컴퓨터 등을 구현하는데 꼭 필요하다.

<기사출처 | 교육과학기술부 보도자료>