전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 전기·전자

속보

더보기

[김정호의 4차혁명 오딧세이] '세상 바꾸는 원리' 양자역학을 아십니까?

기사입력 : 2018년12월24일 08:00

최종수정 : 2018년12월24일 08:00

4차산업혁명의 기반 '양자역학'을 아십니까? 

4차 산업혁명 시대는 ‘양자역학의 시대’이기도 하다. 양자역학(量子力學, Quantum Mechanics)이란 물체가 힘을 받으면 어떤 운동을 하게되는지를 밝히는 물리학의 한 이론이며, 반도체의 원리를 설명하는 등 현대인의 삶에 지대한 영향을 끼치고 있는 기술들의 이론적 바탕이다. 과학기술의 측면뿐 아니라 철학, 문학, 예술 등 다방면에 지대한 영향을 미쳤다.

  김정호 카이스트 교수

21세기 들어서 닐스 보어(Niels Henrik David Bohr), 에르빈 쉬뢰딩거(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger), 디락(Dirac), 알버트 아인슈타인(Albert Einstein) 등 과학자들의 도움으로 원자의 세계를 다루는 물리학인 ‘양자역학’이 발전하기 시작했다.

양자 역학에서는 입자의 존재가 확률로 표현되고 전통 물리학으로 설명하기 어려운 새로운 시도이다. 예를 들어 원자 속의 전자의 에너지 상태가 연속적이지 않고 불연속적이다. 에너지 레벨이 특정한 불연속적인 값을 갖는다. 그래서 원자에서 나오는 빛은 특정한 색깔의 빛만 나온다. 따라서 물질에서 나오는 빛을 보면 그 물질의 원자 에너지 구조를 파악하는데 도움이 된다.

더 나아가 양자역학에서는 존재할 수 없는 영역에 입자가 침투할 수도 있다. 그리고 입자가 파동과 입자의 성질을 동시에 같이 갖고 있고 그 속도는 최대 광속의 속도를 넘을 수 없다. 그래서 입자의 존재와 에너지 레벨을 계산하고 싶을 때 파동방정식으로 풀기도 한다.

이러한 현대 물리학인 ‘양자역학’이 지금 4차 산업혁명의 토대가 되고 있다. ‘양자역학’이 데이터 센터와 인공지능의 핵심인 반도체의 동작 원리와 빅데이터 네트워크의 핵심인 광통신 원리를 제공하고 있다. 특히 원자 속의 전자가 에너지 레벨을 바꿀 때 빛이 방출되거나 흡수된다.

이 원리로 광통신을 위한 빛 디지털 신호를 광 반도체에서 발생시키거나 수신한다. ‘양자역학’이 광 통신 송신기와 수신기의 원리가 된다.

양자역학의 토대가 된 원자의 모델을 제시한 닐스 보어가 수식으로 가득찬 칠판을 배경으로 포즈를 취하고 있다. [출처: 물리산책]
불연속적인 원자의 전자 에너지 레벨 개념도. 전자가 이러한 에너지 레벨(들뜬 상태와 바닥 상태)을 바꿀 때 흡수되거나 방출되는 빛의 원리로 광통신이 이루어 진다. [출처: 물리산책]


양자역학, 바다속에 광 통신에도 혁신 일으켜

초기 유선통신에서는 구리 전선으로 송신기와 수신기를 연결하고, 모스 부호로 전기를 연결했다 끊었다 하면서 신호를 보내면 된다. 이 유선 통신으로 19세기 유럽과 미대륙을 연결했다. ‘전신’이라는 방식이다.

그런데 이러한 유선통신은 이동성의 제한이 있다. 선박, 자동차, 비행기 간의 통신은 불가능하다. 또한 구리선을 연결하는데 시간과 비용이 든다. 이 경우 무선 통신을 이용해야 한다.

이에 더해서 구리 전선을 이용한 통신의 문제는 신호 손실에 있다. 요즘 빅데이터네트워크 통신에서는 초당 테라비트(Terabit/s, 1초에 1조 비트 송신) 송신 속도 이상을 필요로 한다. 4차 산업혁명 시대를 맞아 미래에는 빅데이터의 용량이 커지기 시작하면 1000배의 속도인 페타비트(Petabit/s, 1초에 1000조 비트 통신) 속도시대에 진입할 것으로 예측한다.

그런데 기존의 전기 신호 유선 통신의 경우 데이터 속도와 주파수가 높아지면 전선의 구리 저항 때문에 신호 손실이 매우 심각하게 커진다. 그러면 수백 미터 거리에서도 데이터 송수신할 수 없다. 길이를 키우려면 중간 중간에 신호 재 증폭을 위한 중계기를 설치해야 한다. 그래서 현실적으로 바다 건너 대륙간 빅데이터를 위한 통신은 불가능하다.

이러한 구리 기반 유선통신의 한계를 극복하기 위해서 사용하는 기술이 전기를 대신해서 빛을 이용해서 통신하는 광통신 기술이다. 아주 가는 광섬유를 이용해서 빛을 보내면 수천 킬로미터 대륙간 거리에서도 디지털 신호 ‘1’과 ‘0’ 신호를 보낼 수 있다.

양자역학이 바닷속 광통신에도 혁신을 일으키고 있는 것이다. 양자역학을 알면 우리 삶에 영향을 미치는 실체에 더 가까이 다가갈 수 있다. 

 

joungho@kaist.ac.kr 


[김정호 카이스트 전기 및 전자공학과 교수]  

 

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
日 태평양 연안에 쓰나미 경보·대피령 [서울=뉴스핌] 오영상 기자 = 일본이 러시아 캄차카 반도에서 발생한 지진으로 인해 태평양 연안 지역에 발령했던 쓰나미 주의보를 '쓰나미 경보'로 상향 조정했다. 주의보가 경보로 상향 조정됨에 따라 일본 정부는 태평양 연안 쓰나미 경보 지역에 대피령을 내렸다. 일본 기상청은 홋카이도에서 와카야마현에 걸친 태평양 연안 지역에 쓰나미 경보를 발령했다. 그 외 지역은 주의보가 내려진 상태다. 예상되는 쓰나미 높이는 최대 3미터이다. 지역은 홋카이도 태평양 연안(북부 제외), 아오모리현 태평양 연안, 이와테현, 미야기현, 후쿠시마현, 이바라키현, 지바현 구주쿠리·외해안, 지바현 내만 등이다. 쓰나미의 가장 빠른 도달 예상 시각은 홋카이도 태평양 연안으로, 오전 10시경으로 예상된다. 30일 오전 8시 25분쯤 러시아 캄차카 반도 근해에서 규모 8.7의 지진이 발생했다. 이 지진으로 홋카이도 구시로시 등에서도 진도 2의 흔들림이 관측됐다. 기상청은 경보나 주의보가 해제될 때까지 바다에 들어가거나 해안가에 접근하지 말 것을 당부하고 있다. 일본 태평양 연안부의 쓰나미 경보 지역(빨간색 부분). 노란색은 주의보 [출처=웨더뉴스] goldendog@newspim.com 2025-07-30 10:15
사진
[단독] 내달 12일 정부조직개편안 발표 [서울=뉴스핌] 채송무 기자 = 국정기획위원회의 정부조직개편안 발표가 오는 8월 12일 이뤄질 전망이다. 해체가 유력해보였던 금융위원회는 존치 가능성이 높아졌다.  당초 금융위원회의 금융정책 기능을 기획재정부로 이관하고, 남은 기능은 금융감독원과 통합해 금융감독위원회를 신설하는 안이 거의 확실시됐다. 이재명 대통령도 대선 전 금융위의 정책과 감독기능을 분리할 뜻을 밝혔고, 이재명 정부의 인수위원회 격인 국정기획위도 이 같은 안을 확정해 대통령실에 보고했다. [서울=뉴스핌] 이재명 대통령이 29일 서울 용산 대통령실에서 열린 제33회 국무회의를 주재하고 있다. [사진=대통령실] 2025.07.29 photo@newspim.com 30일 뉴스핌의 취재를 종합하면 최근 국정기획위의 분위기는 다소 바뀌고 있다. 이재명 대통령이 금융위의 부동산 대출 규제와 중대재해 예방 제안에 대해 연이어 긍정 평가를 내놓은 것이 변화의 배경으로 작용하고 있다. 국정기획위도 정부조직개편안에 대한 재논의를 결정하고 다양한 의견을 수렴하고 있다.  금융위 해체 분위기 변화의 이유는 전문성과 업무 능력 때문이다. 이재명 정부가 출범한 지 두달이 되어가는 상황에서 금융위원회의 정책에 대한 대통령의 평가가 높아졌다. 이 대통령은 지난 15일 국무회의에서 "적절한 대출 규제로 부동산 안정 효과를 보고 있는 것 같다"고 금융위원장을 칭찬한 것에 이어, 지난 29일 국무회의에서는 김병환 금융위원장이 제안한 중대재해 예방 방안에 대해 "기준을 만들어서 대출과 투자에 불이익이 주는 것은 상장회사에 상당한 타격이 돼 효과가 있을 것 같다"고 말했다. 금융 관련 전문성과 현안 대응력, 정책의 일관성을 위해 금융위를 존치시켜야 한다는 목소리가 힘을 얻고 있으며, 현재 국정기획위가 채택한 금융정책과 감독의 완전 분리가 중복 규제, 책임 회피 가능성이 있다는 지적도 나온다. 여당 내에서는 금융위가 오히려 기획재정부가 맡고 있는 국제금융 기능까지 관할하는 법안까지 발의됐다. 윤준병 의원은 지난 7월 17일 발의한 정부조직개편안에는 이 같은 내용을 포함했다. 윤 의원은 "기획재정부는 거대 공룡과 같은 조직이니 분리하는 것이 효율적이지만 금융 부문은 국제금융과 국내금융을 하나로 묶어서 한 기관이 전문성을 갖고 하는 것이 의미가 있겠다고 판단했다"고 말했다. 물론 윤 의원이 경제와 금융정책을 담당하는 국회 기획재정위나 정무위원회 소속이 아닌 국회 농림해양수산식품위원회 소속인데다 국정기획위 내에서도 금융 파트를 담당하는 경제 1분과 위원이 아니라는 점에서 발의된 정부조직개편안의 영향력은 크지 않다는 분석도 있다. 금융정책을 담당하는 국회 정무위원회 의원들은 대부분 금융위의 분리안에 대한 입장을 유지하고 있다. 그러나 정부와 여당에서는 키를 대통령실이 쥐고 있다는 평가가 많다. 대통령실에 의해 정부조직안이 만들어지면 여당에서 이를 비토할 가능성은 거의 없다는 것이다. 한 금융위원회 관계자는 최근 정부조직개편안 추이에 대해서는 입장을 밝히지 않았지만, "금융위원회는 그동안 계엄이나 탄핵 상황에서도 부지런히 일해왔다. 최근에는 이 같은 노력들을 조금씩 인정받는 느낌도 든다"고 말했다. 국정기획위원회가 8월 14일 임기를 마치는 가운데, 임기 종료일 직전인 12일 경에 정부조직개편안을 발표할 것이라는 이야기가 여당에서 나온다. 금융정책을 담당하는 금융위원회가 존치될지, 아니면 기획재정부와 금융감독원으로 나눠질지 금융가의 관심이 집중되고 있다.   dedanhi@newspim.com 2025-07-30 14:46
안다쇼핑
Top으로 이동