[물리학] 2012년 – 개별 양자계의 측정 및 조작을 가능하게 하는 획기적인 실험 방법 개발(데이비드 제프리 와인랜드, 서지 아로슈)

2012_DavidJWineland_Physics

  • 1944 ~
    데이비드 제프리 와인랜드

    David Jeffrey Wineland

    미국의 물리학자. 하버드 대학교에서 박사 학위를 받았으며 2012년 “개별 양자 시스템의 측정 및 조작을 가능케 하는 획기적인 실험 방법의 발견”을 공로로 노벨 물리학상을 세르주 아로슈와 공동 수상하였다. 미국 밀워키 출신으로 현재 콜로라도 주 볼더에 있는 미국표준기술연구소(NIST)에서 연구원으로 일하고 있다. 그의 업적은 광학, 특히 파울 트랩(Paul Trap)에서의 레이저 쿨링과 트랩된 이온을 양자 연산 기술에 이용하는 분야이다.

  • 2012_SergeHaroche_Physics
    1944 ~
    서지 아로슈

    Serge Haroche

    프랑스의 유대계 물리학자. 1971년 파리6대학(피에르마리퀴리대학교)에서 물리학 박사학위를 취득하였으며 평생을 양자물리학 실험 연구에 몰두하였으며, 빛 입자인 광자(光子) 등 양자 미립자를 파괴하지 않은 채 인간의 손으로 조작하고 측정할 수 있는 기술을 개발하여 양자물리학 실험의 새로운 시대를 열었다. 그는 이론적으로만 증명되었던 양자역학의 중첩 현상을 실험으로 보여주었으며 이로써 양자컴퓨터와 광시계(光時計) 개발의 첫발을 내디딜 수 있게 되었다.
    2012년 포착된 이온을 광자로 제어 및 측정하는 실험 방법으로 동일한 성과를 이룬 미국의 물리학자 데이비드 와인랜드(David Wineland)와 함께 노벨 물리학상을 공동으로 수상하였다.

수상 업적

The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J. Wineland “for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems”

2012년 노벨 물리학상은 “개별 양자계의 측정 및 조작을 가능하게 하는 획기적인 실험 방법 개발”로 세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드에게 공동 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.

1820년 유명한 시인이자 작가이신 에사이아스 텡네르 교수님이 석사학위 수여식에서 다음과 같이 말씀하셨습니다.

드러나는 것이 아니라 의미하는 것
바로 현상의 본질을 알아차릴 수 있다는 것이
인간의 위대한 능력이다.
눈으로 보는 실체는
더 높은 차원의 어떤 것에 대한 상징을 뿐이다.

눈에 보이는 것은 무엇인가? 바로 빛입니다. 우리 주위에 보이는 모든 것, 색, 형태, 대상은 우리 눈에 와 닿는 빛으로부터 옵니다. 시신경을 통해 뇌로 들어가 뇌에서 분석된 정보입니다. 우리 눈에 보이는 외부적인 것들은 소위 고전 물리학이라 일컬어지는 것에 의해 모두 설명되고 이해될 수 있습니다. 그러나 고전 물리학이 물질의 내면까지 설명해 줄 수는 없었습니다.

이 때문에, 1920년대 물리학자들은 물질의 가장 내밀한 부분에 대한 이론을 만들었습니다. 이는 양자 역학이라는 너무나 아름다운 이론입니다. 양자계에서 빛, 원자, 핵 그리고 소립자들은 모두 입자와 파동으로서 설명됩니다. 양자 물리학은 현대 과학의 가장 눈부신 영역에 속하지만 거의 모든 경우, 측정하려 하면 양자 속성이 사라져버리기 때문에 양자 수준에서 물질을 실제로 관찰하는 것은 쉽지 않았습니다. 그리하여 개별 양자계를 연구하는 것이 양자 물리학의 여명기부터 이어져온 과학자들의 오랜 숙원이었습니다.

올해의 노벨 수상자들은 동료 연구자들과 함께 정밀 설계된 실험법을 통해 양자 속성을 파괴하지 않으면서 단일 개별 양자계를 제어하고 측정하는 마법을 보여주었습니다. 세르주 아로슈와 데이비드 와인랜드는 가장 근본적인 양자계의 관찰을 가능케 해주었는데, 일찍이 불가능한 것으로 여겨졌던 양자계의 규칙에 따라 실험을 하는 것이 가능하다는 것을, 즉 양자계를 어떻게 연구, 제어 및 측정하는 지를 보여주었습니다. 누군가는 이것을 손도 안대고 모든 것을 알아냈다고 말할지도 모릅니다. 그렇지 않으면 마이크로 세계의 마법이 사라져버릴 테니까요.

두분 박사님의 실험 방법은 공통점이 많습니다. 데이비드 와인랜드는 정전기 트랩에서 전기적으로 충전된 개별 원자, 즉 이온을 포착하여 광양자로 냉각, 측정 및 제어합니다. 온도가 절대 영도에 근접하면 에너지와 이온의 진동 주기가 특정 값을 얻게 되는데 이것이 바로 양자화됐다고 일컬어 지는 것입니다. 이온에 레이저 광선을 조사하면 동시에 상이한 에너지 수준을 가지는 중첩이라는 상태가 됩니다. 이때 이 에너지의 중첩은 역시 레이저 광을 이용하여 그에 해당하는 진동 상태의 중첩으로 전환됩니다. 중첩은 어떠한 속성의 파괴 없이 전환되었습니다.

세르주 아로슈는 정반대의 방법을 사용하는데, 두 개의 완벽하게 반사되는 거울 사이에서 단일 광양자를 포착하여 이들을 측정 및 제어할 수 있을 만큼 장시간 유지시킵니다. 이는 트랩을 통과하며 광자를 아주 조금 흔들어 놓는 매우 들뜬 원자를 이용한 것입니다. 이러한 원자는 트랩에서 광양자의 수와 그들의 조건에 대한 정보를 수집하는 안테나의 역할을 합니다. 이는 양자 수준에서 단지 스파이의 역할을 한 것일 뿐입니다. 또 주목할만한 점은 보통의 9와트 전구가 단 10억분의 1초에 지구 인구수보다 많은 광양자를 방사한다는 점에도 불구하고 단일 광양자들을 연구할 수 있다는 사실입니다.

두분 교수님은 빛과 물질 간의 상호작용이 근본적인 수준에서 연구되는 광자 광학이라는 연구 분야를 대표합니다. 이 연구 분야는 1980년대 중반부터 본격적인 진보가 이루어져 왔는데 이 두 분의 연구는 미래 실험에 대한 새로운 방법을 제공했으며 이로써 과학계의 초미의 관심사가 되었습니다. 또한 앞으로 양자 물리학에 기반해 슈퍼 속도의 컴퓨터를 개발할 수 있다는 희망을 품게 해 주었습니다. IT 혁명이 지난 세기에 그러했던 것처럼 아마도 양자 컴퓨터는 21세기의 생활을 완전히 바꿔 놓을 것입니다. 두 분의 연구는 궁극적으로 새로운 시간의 표준을 만들게 될 초정밀 광학 시계의 개발로 이어지고 있으며, 현재 이미 세슘 시계보다 수백 배 높은 정확성을 입증했습니다. 이 정확성이란 것이 감히 상상을 초월하는 것이어서 우주의 나이에 해당하는 시간 동안 이 시계가 작동되게 하면 그 오차가 단 수초에 지나지 않을 정도입니다.

아로슈 교수님, 와인랜드 교수님, 스웨덴 왕립과학원을 대표하여 교수님들의 노고와 공로에 깊은 존경을 표합니다. 이제 전하께 나아가 노벨상을 수상하시겠습니다.

스웨덴 왕립과학원, 노벨 물리학위원회 위원장 비요른 욘손