[꼬레아페르 114] 노벨 물리학상 수상자 알랭 아스페
꼬레아페르는 존 F. 클라우저 및 안톤 제일링거와 함께 광자 간의 얽힘을 통해 벨의 부등식 위반을 설립하고, 양자 정보 과학의 길을 열어 2022년 노벨 물리학상을 수상한 알랭 아스페씨를 인터뷰했습니다. 이 인터뷰에서 알랭 아스페씨는 양자 컴퓨터의 진보와 미래의 도전 과제에 대해 이야기했습니다.
미국 물리학자 리처드 파인만은 "나는 그 누구도 양자역학을 이해하지 못한 다고 자신 있게 말할 수 있다."라는 유명한 말을 남겼는데요. 우리 독자들을 위해 양자역학이란 무엇인지 간단하게 설명해 주시겠습니까?
양자역학은 물리학 이론으로, 수학적 형식인 일련의 방정식을 사용하여, 아주 작은 규모의 현상을 설명합니다. 이는 나노미터의 천분의 일까지의 척도를 다루며, 이는 원자의 구조, 화학 분자 내의 배열, 그리고 전자들이 원자핵 주변에서 어떻게 끌리고 조직되는지를 설명하는 데 중요합니다.
" 우리는 과학에 대항함으로써 지구의 문제를 해결할 수 없습니다. 오히려 과학을 배우고, 우리의 지식을 활용하여 이 문제를 해결해야 합니다. "
양자역학의 특이한 점은 수학적 형식이 완벽하게 정의된다는 것입니다. 방정식을 해결하면 실험 결과와 완벽하게 일치하는 극도로 정밀한 결과를 얻을 수 있습니다. 이러한 실험들은 그 자체로 놀라울 정도로 정밀합니다. 그러나 이 수학적 형식은 우리가 사는 3차원의 공간이 아닌, 힐베르트 공간이라는 추상적인 공간에 적용됩니다.
이 추상적인 공간에서는 계산이 명확하게 이루어지며, 수학적인 도표를 통해 일어나는 현상을 "보는 것"이 가능합니다. 그러나 이를 우리 현실 세계에서 시각화 하려고 하면, 때로는 상반되거나 비논리적인 현 상들을 마주할 수 있습니다. 예를 들어 양자 입자를 설명하기 위해 수 학적 형식은 매우 명확하지만, 우리의 공간에서는 관점에 따라 이 입 자가 공간을 퍼져 나가는 파동으로 행동하거나 특정 지점에 집중된 입자로 행동할 수 있습니다. 더 놀라운 사실은 이 입자가 동시에 두 군 데에서도 발견될 수 있다는 점입니다. 양자 물리학에서 수학적 형식은 명료하지만 시각화하기 어려운 개념 들과의 대조는 항상 저를 매혹시켰습니다. 일부 물리학자들은 수학적 인 것과 그 결과에 만족할 수 있지만, 저는 이미지가 필요한 사람 중 하나입니다. 이 시각적 이미지들은 직관을 발전시키고 새로운 상황을 상상하는 데 유익합니다.
알랭 아스페, 존 F. 클라우저, 안톤 제일링거와 함께 노벨 물리학상을 수상할 수 있게 해준 실험을 소개해 주시겠습니까?
저는 주로 얽힘이라 불리는 현상에 대해 연구했습니다. 양자 얽힘은 두 개 이상의 입자가 상호 작용한 후 분리되더라도 아인슈타인이 말 한 것처럼, 일종의 유령 같은 상호 작용으로 신비롭게 연결되어 있는 현상입니다. 제 실험은 이 연결이 멀리 떨어진 거리에서도 지속된다는 사실을 보여주었습니다. 실제로 첫 번째 입자에 작용을 가하면 두 번 째 입자에서 즉시 어떤 일이 일어나는 것처럼 보입니다. 그러나 환상은 금물입니다. 양자 상호작용의 결과는 근본적으로 무작위적이기 때문에 빛보다 빠르게 정보를 전달할 수는 없습니다. 예를 들어, 천 킬로미터 떨어진 곳에 있는 빛을 즉시 켜는 스위치와 같은 것 은 불가능합니다.
그러나 양측의 결과를 기록하고 나중에 데이터를 비교하면, 우리는 얽힘이 일어났음을 확인할 수 있습니다. 저는 이를 "고고학자의 시각"이라고 부릅니다.
1970년대에 클라우저는 얽힘을 보여주는 실험을 진행했지만, 마지막 순간에 측정 장치를 변경할 수 있는 기회는 없었습니다. 저는 1982년에 이러한 변경이 가능한 실험을 수행했습니다. 그리고 16년 후, 제일 링거는 광자가 전파되는 동안 측정 장치의 방향을 결정하기 위해 난 수 생성기를 사용하여 완전히 무작위로 측정 장치를 변경하는 실험을 이끌었습니다.
이 세 가지 실험은 점점 더 이상적인 이론적 사고 실험의 버전을 현실 적인 실험 조건에서 실제로 구현한 것입니다. 그리고 이 광자들의 얽힘에 관한 발견이 벨부등식1 위반을 입증하는 데에 성공하여 우리에 게 노벨상을 안겨주었습니다.
이 작업들 외에도, 다른 중요한 과학 프로젝트도 참여하셨는데요. 좀 더 자세히 알려주시겠습니까?
이러한 광자의 얽힘 실험 이후, 우리는 이 장비를 사용하여 세계에서 처음으로 한 번에 하나씩 광자를 방출하는 광자원을 만들었습니다. 광 자가 무작위로 분포되는 빔 감쇠와 달리, 이 광자원은 몇 나노 초 동안 광자가 단 하나만 존재함을 보장하는데, 이것이 바로 완전히 양자적인 현상입니다.
그 후로, 1985년부터 1992년까지 저는 클로드 코엔-타누지, 크리스토 프 살로몽, 장 달리바르와 함께 레이저에 의한 원자 냉각 연구를 진행 했습니다. 이 연구는 클로드 코엔-타누지가 1997년에 노벨 물리학상 을 수상하게 된 데 기여했습니다. 이러한 방법들은 레이저를 사용하여 원자를 조작하고, 유지하며, 원자의 움직임을 제어하는 것을 가능하게 합니다. 이 방법들이 라이드버그 원자를 이용한 양자 컴퓨터의 발전에 기여한 것으로 평가될 수 있습니다.
저의 예전 박사과정 제자 안투안 브로아위가 이 실험 덕분에 쉬프옵티크에서 국제적으로 가장 우수한 양자 컴퓨터 중 하나를 개발했습니 다. 현재 이 양자 컴퓨터는 Pasqal이라는 회사에서 상용화되어 있으며, 안투안은 이 회사의 공동 창립자 중 한 명입니다.
Pasqal의 공동 창립자이시기도 한데요. Pasqal을 다른 양자 컴퓨팅 스타트업 과 구별하는 요소에 대해 설명해 주실 수 있나요?
양자 컴퓨터를 만드는 데는 여러가지 접근 방식이 있습니다. Pasqal에 서는 중성 원자를 사용하여 라이드버그 상태라 불리는 방향으로 가고 있습니다. 저는 이 기술을 사용한 세계 최고의 기계가 여기 쉬프옵티 크에 있는 것이라고 생각합니다. 그러나 하버드 대학의 미하일 루킨도 중성 원자 프로세서를 보유하고 있어 매우 강력한 경쟁 상대입니다. 우리는 이 극도로 복잡한 분야에서 성공하기 위해 협력과 정보 공유 가 중요하다는 것을 알기 때문에 하버드와 우호적인 경쟁 관계를 유지하고 있습니다.
또한, 일부 연구자들은 광자를 이용한 양자 컴퓨터 개발에 도전하고 있습니다. 그 예로 프랑스의 Quandela와 미국의 PsiQuantum이 있습니다. 광자 기반 기계의 장점은 외부 교란에 덜 민감하다는 점이지만, 라이드버그 원자와 비교해 광자의 얽힘화는 더 어렵습니다. 그리고 세 번째 접근 방식은 포획된 이온을 사용하여 한 개씩 조작하 고 얽히게 하는 것입니다. 이 기술을 개발한 회사는 크리스 몬로에 의 해 설립된 IonQ입니다.
그리고 여기에 더해, IBM과 Google이 초전도 회로를 이용한 기본 회 로를 개발하고 있으며, 이 회로들은 어느 정도 얽힘을 보입니다. 또한 퀘벡의 Nord Quantique와 프랑스의 Alice et Bob 같은 다른 스타트업들도 초전도 양자 비트에 대한 연구를 진행하고 있으며, 이들은 양 자 간섭에 덜 민감한 특성을 가지고 있습니다. 현재 우리는 다양한 접근 방식을 가지고 있지만, 이 시점에서는 모두 원리 증명을 할 수 있는 단계에 있습니다. 아직 사회를 혁신할 수 있는 응용 프로그램을 찾지 못했습니다. 우리는 다같이 양자 이점이라고 불 리는 시점에 접근하고 있습니다. 이는 양자 컴퓨터가 클래식 컴퓨터를 능가할 때의 시점입니다.
양자 이점이라는 개념을 언급하셨는데, 그 예를 들어주실 수 있으신가요?
양자 이점에 대해 이야기할 때, 주로 양자 컴퓨터가 가장 강력한 클래 식 컴퓨터보다 더 강력한 계산을 수행할 수 있는 능력을 의미합니다. 예를 들어, 안투안 브로아이의 기계는 300개의 입자로 된 이징 문제2 라 불리는 물리적 문제를 해결할 수 있지만, 클래식 컴퓨터는 50개에 서 60개 정도의 입자까지만 해결할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고, 클래식 컴퓨터에서 개발된 근사화 기법은 때때로 비슷한 결과를 얻을 수 있어 양자 컴퓨터의 결과를 검증할 수 있습니다. 우리는 아직 양자 이점의 초기 단계에 있습니다.
미래에 양자 물리학이나 양자 컴퓨터가 어떤 종류의 문제를 해결할 수 있다고 생각하시나요?
저는 기후 변화와 같은 문제를 해결하기 위해서는 과학에 의존해야 한다고 생각합니다. 양자 컴퓨터만이 아니라 일반과학 말입니다. 프랑 스에서는 과학이 기후 변화의 주범으로 몰리는 경향이 있습니다. 그러 나 우리는 과학이 우리에게 가져다준 모든 혜택들을 쉽게 잊어버립니 다. 의학기술의 발전으로 우리는 할아버지, 할머니보다 20년 더 살 수 있고, 새로운 질병을 치료할 수 있으며, 이전보다 더 정교한 분석과 의 료 이미지를 얻을 수 있습니다. 그래서 제 관점에서는 이는 과학의 잘 못이 아닙니다. 우리는 과학에 대항함으로써 지구의 문제를 해결할 수 없습니다. 오히려 과학을 배우고, 우리의 지식을 활용하여 이 문제를 해결해야 합니다.
과학이 제공하는 도구들 중 하나로 양자 컴퓨터가 있습니다. 우리는 기후 연구와 관련된 문제를 포함해 매우 복잡한 상호작용인 구름, 해 양, 인간 활동을 모델링하는 데 양자 컴퓨터가 도움이 될 것으로 기대 합니다. 단기적으로 보면, 현재의 양자 컴퓨터가 전력 그리드 균형 문 제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 전기 생산과 소비 간의 균형 을 유지하는 것은 태양광 및 풍력과 같은 재생 가능 에너지의 불규칙 성과 수요의 변동으로 인해 점점 더 복잡해지고 있습니다. 또한, 양자 컴퓨터의 계산 능력 덕분에 클래식 컴퓨터와 동일한 계산을 수행하면 서 훨씬 적은 에너지를 사용할 수 있습니다. 이 지구의 도전 과제를 해 결하기 위해 과학 전반의 기여가 중요하다는 점을 강조하고 싶습니다.
기초 연구와 산업 간의 관계는 무엇인가요?
제 생각에 연구 기초와 산업 간의 연결은 늘 존재해 왔다고 생각합니 다. 양자 역학은 20세기 초반에 등장했습니다. 1930년대에는 반도체 와 같은 물질에서 전기 전도를 이해하기 위해 수학적 형식이 개발되 었습니다. 1947년에는 첫 번째 트랜지스터가 발명되었습니다. 이후 몇 십 년 동안 진행된 결과로 집적 회로가 개발되었으며, 이는 사실상 동 일한 칩에 여러 개의 트랜지스터가 포함된 것입니다. 이러한 발전은 전자가 물질 내에서 전파하는 깊은 이해에 기초하고 있으며, 이는 양 자 역학에서 제공된 것입니다. 또한, 1960년대에는 물질과 빛 사이의 양자적 상호작용을 설명하기 위해 레이저가 개발되었습니다. 저는 레 이저 회사의 창립자 중에는 근본 물리학자들이 포함되어 있다고 확신 합니다.
이 모든 혁신들은 결국 1990년대에 우리가 알고 있는 정보 및 통신 사 회로 이끌었습니다. 이 사회는 통합 회로, 즉 트랜지스터뿐만 아니라 레이저와 광섬유에 기반을 두고 있습니다. 따라서 기본 연구와 응용 사이의 연결이 매우 중요하다는 것을 보여 줍니다. 기본 연구와 일반 대중을 위한 구체적 응용 사이에는 수십 년이 걸릴 수 있습니다. 그 사이에는 아직 불안정한 기술을 수용할 수 있는 소수 의 선구자들을 위한 기간이 있습니다. 양자 기술도 정확히 이 중간 단 계에 있습니다. 우리의 얽힘에 대한 연구와 같은 기본 연구, 그리고 광 자, 전자, 원자와 같은 미시적 시스템에서의 실험은 저희가 두 번째 양 자 혁명이라고 부르는 것의 기초입니다.
Pasqal은 연구와 활동을 확장하기 위해 최근 한국에 진출하고 한불상공회 의소의 회원으로 가입했습니다. 한국을 선택하신 이유는 무엇인가요?
제 관점에서 한국은 명백하게 기술 발전의 선두에 서있는 나라입니다. 그렇기에 우리의 한국진출은 합리적이라 생각합니다. 한국은 첨단 기 술을 요구하며 그것을 평가하는 나라입니다. 따라서 첨단 기술을 가진 우리가 한국으로 가고자 하는 것은 당연한 일입니다. 그것은 기술을 제공하는 것뿐만 아니라 첨단 기술 개발에 익숙한 사람들과 맞서고자 하는 것입니다. Pasqal의 한국 지사장 로베르토 마우로의 언급에 따르 면, 중요한 다른 측면도 있습니다. 앙투안 브로아위스는 KAIST(한국 과학기술원)의 한 교수님과 긴밀한 관계를 유지하고 있으며, 그 교수 님은 중성 원자 분야에서 뛰어난 연구를 진행하고 있습니다.
개인 간의 관계는 연구와 진보에 중요한 역할을 합니다. 그래서 저는 다시 한번 산업인과 연구자 간의 긴밀하고도 신뢰를 가진 관계의 필 요성을 강조하고 싶습니다. 프랑스에서는 최근 몇 년간 저와 같은 기 본 연구자의 사고방식이 변화한 계기가 있었습니다. 우리는 우리의 연 구가 실생활에서 적용되는 것을 보는 것이 얼마나 멋진 것인지를 알 게 되었는데, 이는 우리가 이 사회에 유익하다는 느낌을 주기 때문입 니다. 또한, 많은 산업 기업들도 연구 실험실에서 무슨 일이 벌어지는 지 탐구하는 것이 지속적인 혁신에 유리하다는 것을 알고 있습니다. 이러한 혁신을 지지하는 정부의 여러 지원 덕분에 프랑스에는 많은 스타트업이 탄생하고 있습니다. 따라서 기본 연구와 응용 사이의 관계 를 촉진하는 것이 중요합니다.
