1조원 들어가는 궁극의 양자역학 실험 시설?

미세 세계 역학을 고찰하는 양자역학에서 가능한 최상 환경이 갖춰지는 게 우주 양자역학 실험이다. 이런 양자역학 실험 시설을 우주로 정비하기 위해 10억 달러에 달하는 거액이 필요하다. 왜 이런 게 필요할까.

입자가 벽에 빠지는 터널 효과(tunnelling effect) 등 한없이 작은 물질은 인간에게는 상식 같은 고전 역학 세계와 다른 행동을 하는 것으로 알려져 있다. 최근 물리학 물체가 얼마나 작아진 단계에서 고전 역학적 행동에서 양자 역학적 행동으로 전환할지 경계를 조사하는 실험을 실시하고 있다.

양자역학적 특징에 속하는 파동 행동을 하는 물체 중 2021년 시점 가장 큰 문제는 올리고포르피린(Oligoporphyrin)이라는 분자다. 올리고포르피린은 2,000개 원자로 이뤄져 있으며 무게는 탄소 12(Carbon-12) 2,080개 분량이다. 일반적인 박테리아보다 몇 천분의 1 크기다.

올리고포르피린보다 큰 양자역학적 행동을 할 분자가 발견된다면 신변 관련 제품에 도움이 될 수도 있다. 하지만 이런 분자 측정에 이용하는 양자 물질 간섭계는 복잡하고 가스와 빛, 진동 등 간섭에 의해 발생하는 측정 결과 오차는 피할 수 없는 문제다. 또 가스와 빛, 진동 등이 w절대로 간섭하지 않는 공간을 구축했더라도 지상에선 중력 영향이 불가피하다. 중력을 제거하는 방법으론 레이저와 자기장에서 입자를 띄우는 게 존재하지만 이 방법은 레이저와 자기장이 가질 수 있는 노이즈가 실험 결과에 차이를 낳는다. 이런 환경 유래 요소는 분자가 커질수록 영향이 커지기 때문에 올리고포르피린보다 큰 분자를 찾으려는 시도는 환경 구축 문제에 발목이 걸린 상태라는 것.

이상 문제를 해결하는 방법으로 제안하는 건 우주 실험 시설을 마련하는 것이다. 우주에서 가장 큰 문제인 중력 영향을 없앨 수 있고 가스와 빛 등 간섭을 제어하기 쉬운 장점이 존재한다. 한편 우주에서 실험 시설 운영에 필요한 엔진이 만들어내는 진동이나 지구상에서 지자기와 대기에 의해 배제된 우주선이나 태양풍 대책이 필요하다. 이런 우주 특유 요인 대책에 필요한 금액이 10억 달러라는 것이다.

2016년에는 중국 위성이 지상과 양자 암호를 교환하고 2020년에는 국제우주정거장에서 양자역학 현상 일종인 보스아인슈타인응축이 생성되는 등 최근 우주 공간에서 양자역학적 실험을 실시하는 노력이 이뤄지고 있다. 하지만 이런 노력 대부분은 상업적인 것으로 순수한 과학적 탐구를 위해 10억 달러 규모 국제 협력 체제를 갖고 궤도에 양자간섭계를 설치해야 한다는 주장이다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.