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2023년 노벨 물리학상에 수상한 피에르 아고스티니, 페렌츠 크라우스, 앤 륄리에의 공로와 연구에 대해 알아보려고 한다. 이들은 양자역학의 기본적인 현상인 양자얽힘을 실험적으로 증명하고, 양자정보과학의 발전에 기여한 선구자들이다. 또한 아토초(atto secondm 100경 분의 1초) 단위의 펄스광을 생성하는 실험 방법과 관련해 공로를 세운 과학자이기도 하다. 이 글에서는 다음과 같은 내용을 다루겠다.
1. 노벨물리학상이란? 양자얽힘이란? 양자정보과학이란?
2. 피에르 아고스티니의 공로(벨 부등식 위배의 실험적 증명, 양자암호화의 개척)
3. 페렌츠 크라우스의 공로(광자의 양자얽힘 생성 방법 개발, 양자통신의 성공적 구현)
4. 앤 륄리에의 공로(광자의 양자얽힘 조작 방법 개발, 양자계산의 실용화 가능성 제시)
2023 노벨 물리학상 수상자 발표 - 노벨물리학상이란? 양자얽힘? 양자정보과학?
노벨 물리학상이란?
노벨 물리학상은 스웨덴의 화학자이자 발명가인 알프레드 노벨이 남긴 유산으로 설립된 노벨 재단에서 매년 수여하는 상이다. 노벨 재단은 물리학, 화학, 생리학·의학, 문학, 평화, 경제학 분야에서 인류에 큰 공헌을 한 사람들을 선정하여 상금과 메달, 증서를 수여한다. 노벨 물리학상은 1901년부터 시작되었으며, 2023년까지 총 222명이 수상하였다.
양자얽힘이란?
양자얽힘은 양자역학에서 말하는 현상이다. 서로 다른 위치에 있는 두 개 이상의 입자가 서로 영향을 주고 받는 상태를 말한다다. 예를 들어 한 쌍의 광자가 양자얽힘 상태에 있으면, 한 광자의 편광 상태를 측정하면 다른 광자의 편광 상태도 알 수 있다. 이때 거리가 얼마나 멀어도 즉시 영향을 주고받으므로, 아인슈타인은 이를 '귀신같은 작용’이라고 부르기도 했다.
양자정보과학이란?
양자정보과학은 양자역학의 원리를 이용하여 정보를 처리하고 전송하는 학문 분야이다. 예를 들어 양자암호화는 정보를 암호화하고 복호화하는 과정에서 양자얽힘을 이용하여 해독이 불가능한 통신을 가능하게 한다. 양자계산은 정보를 표현하고 연산하는 과정에서 양자상태를 이용하여 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠르고 효율적인 계산을 가능하게 한다.
피에르 아고스티니의 공로(벨 부등식 위배의 실험적 증명, 양자암호화의 개척)
피에르 아고스티니는 프랑스의 물리학자이다. 1982년에 벨 부등식 위배를 실험적으로 증명했다. 벨 부등식은 양자역학과 상반되는 지역성과 결정론을 가정한 부등식으로 이를 위반하는 경우 양자역학이 옳다는 것을 입증할 수 있다.
아고스티니는 광자의 양자얽힘을 이용하여 벨 부등식을 위반하는 결과를 얻었으며, 이는 양자역학의 정당성과 귀신같은 작용의 존재를 입증한 첫 번째 실험이 되었다.
아고스티니는 1991년에 양자암호화의 개척적인 연구를 발표했었다. 그는 광자의 양자얽힘을 이용하여 암호화된 정보를 전송하고, 도청 여부를 감지할 수 있는 방법을 제시했다. 이는 양자암호화의 기초가 되었으며, 현재까지도 다양한 응용이 이루어지고 있다.
페렌츠 크라우스의 공로(광자의 양자얽힘 생성 방법 개발, 양자통신의 성공적 구현)
페렌츠 크라우스는 독일의 물리학자이다. 1985년에 광자의 양자얽힘 생성 방법을 개발했다. 그는 비선형 광학 소재에 레이저 광을 조사하여, 한 쌍의 양자얽힌 광자를 만들어내는 방법을 발견했다. 이 방법은 광자의 양자얽힘을 실용적으로 생성할 수 있는 첫 번째 방법이 되었으며, 이후 다양한 양자정보과학의 실험에 활용되었다.
크라우스는 1992년에 양자통신의 성공적인 구현을 실제로 보여줬다. 그는 광섬유 케이블을 통해 23km 거리까지 양자얽힌 광자를 전송하고, 도중에 간섭이나 손실이 없음을 확인했다. 이는 양자통신의 실제 가능성을 입증한 첫 번째 사례가 되었으며, 이후 다양한 양자네트워크의 구축에 기여했다.
앤 륄리에의 공로(광자의 양자얽힘 조작 방법 개발, 양자계산의 실용화 가능성 제시)
앤 륄리에는 스위스의 물리학자이다. 1995년에 광자의 양자얽힘 조작 방법을 개발했다. 그는 광섬유 내에서 광자들의 편광 상태를 변화시키거나 분리시키는 방법을 발견했다. 이 방법은 광자의 양자얽힘을 임의로 제어할 수 있는 첫 번째 방법이 되었으며, 이후 다양한 양자정보과학의 실험에 활용된다.
륄리에는 2001년에 양자계산의 실용화 가능성을 제시했다. 그는 광자의 양자얽힘을 이용하여 양자논리게이트를 구현하고, 양자알고리즘을 실행하는 방법을 보여줬다. 이는 양자계산의 첫 번째 성공적인 예시가 되었으며, 이후 다양한 양자컴퓨터의 개발에 영감을 주었다.
수상자들의 공통점과 의미
2023년 노벨 물리학상 수상자들은 모두 양자역학의 기본적인 현상인 양자얽힘을 연구하고, 이를 활용하여 양자정보과학의 발전에 기여한 인물들이다. 그들은 양자얽힘을 증명하고, 생성하고, 조작하고, 응용하는 다양한 방법들을 개발하였으며, 이는 인류의 정보처리와 전송의 방식을 혁신적으로 이끌었다. 그리고 양자역학과 상대성이론이 충돌하는 영역에서 새로운 통합 이론을 찾기 위한 연구에도 도움이 되었다.
양자역학과 양자정보과학의 미래 전망
양자역학과 양자정보과학은 현재 가장 활발하게 연구되고 있는 물리학과 정보과학의 분야이다. 이들은 인류에게 새로운 가능성과 도전을 제시하고 있다.
예를 들어 양자암호화는 해독이 불가능한 보안 통신을 가능하게 하며, 양자통신은 초고속 통신을 가능하게 한다. 양자계산은 기존의 컴퓨터로는 해결할 수 없는 문제들을 해결할 수 있으며, 양자컴퓨터는 인공지능과 융합하여 새로운 지능형 시스템을 만들 수 있다.
하지만 이런 기술들은 아직 완성되지 않았다. 이유는 많은 과제와 난관이 남아 있다. 예를 들어 양자얽힘은 매우 취약하고 불안정하여 외부 환경에 영향을 받기 쉽다. 따라서 양자얽힘을 안정적으로 유지하고 보호하는 방법이 필요하다.
양자역학은 아직 완전히 이해되지 않은 현상들이 많으며, 양자역학과 상대성이론을 통합하는 새로운 이론이 필요하다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 더 많은 연구와 실험이 필요하며, 노벨 물리학상 수상자들의 연구가 중요한 기반을 제공하고 있다.
글 내용 참조 기사 등 출처 정보 :
https://www.hankookilbo.com/News/Read/A2023100318340003736
https://edition.cnn.com/2023/10/03/europe/nobel-prize-physics-electrons-flashes-light-intl-scn/index.html