'어벤져스'가 우주를 구할 수 있었던 비결...'양자역학'이 뭐지?

최근 개봉한 마블 영화 '앤트맨과 와스프: 퀀텀매니아'의 한 장면.

많은 이들이 '양자'(Quantum)라는 단어를 들으면 마블의 영화부터 떠올린다. 2018년 개봉작 '어벤져스: 인피니티 워'에서 악당 타노스가 손가락 스냅 한 번에 우주 생명체 절반을 날려버린 뒤 '어벤져스: 엔드게임'에서 어벤져스 멤버들이 세상을 되돌려놓는 극적인 전개는 양자역학이란 설정 덕분에 가능했다. 확률과 예측 불가능성이 지배하는 양자 세계 속 시간은 우리가 발을 디고 살아가는 거시 세계와 다르게 흐른다는 점에 착안한 것이다. 어벤져스 중에서도 앤트맨의 시리즈는 아예 양자역학을 전면에 내세우고 있다.

양자역학은 낯선 이름만큼이나 원리도 알쏭달쏭하다. 하나의 존재가 기존 물리학 원리로는 설명 불가능한 반응을 일으키기 때문이다. 양자물리에서 물질은 입자(물체)이면서 동시에 파동(현상)이다. 양자의 특징은 크게 두 가지다. 하나에서 쪼개진 두 입자의 상태 사이에 짝을 이루는 상관관계가 있어 둘을 멀리 떼어놔도 이 상관관계가 유지되는 현상인 '얽힘'과, 물체가 하나의 고정된 형태가 아닌 여러 형태로 확률적으로 동시에 존재하는 '중첩'이다.


양자기술은 이 양자 특성을 정보통신(IT) 기술에 접목한 것이다. 양자상태를 생성해 제어하거나 측정하고 분석하는 기술이 양자기술이며, 통상 △양자컴퓨팅 △양자통신 △양자센싱으로 구분된다.

양자컴퓨팅은 이 중 중첩의 특성을 이용한 것이다. 일반 컴퓨터는 비트(bit)를 정보의 기본 단위로 쓴다. 이진법에 의해 0과 1이라는 두 가지 정보 중 하나를 표현하는 방식이다. 반면 양자컴퓨터의 기본 단위는 0과 1이라는 상태를 '중첩'한 큐비트(Quantum bit: Qubit)다. 비트와 달리 큐비트는 00, 01, 10, 11을 동시에 표현할 수 있다. 한 번의 연산에 네 개의 상태가 나올 수 있는 확률 정보가 저장되므로 하나의 큐비트에 저장된 정보는 네 개가 된다. 그만큼 더 복잡하고 빠른 연산이 가능하다.

양자 얽힘 현상은 통신에도 유용하다. 빛의 가장 최소 단위인 '광자'에 정보를 실어보내는 기술이 양자통신이다. '얽힘' 관계에 있는 두 광자는 멀리 떨어져 있어도 서로의 정보를 주고 받을 수 있다. 두 광자 사이에 제3자가 개입되면 바로 특성이 바뀌어버리므로 중간에 끼어드는 도·감청 시도를 막아낼 수 있어 암호 기술로도 유용하다.