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]