지난 6월 16일자 과학 전문 논문지 사이언스(Science) 356호지의 표지에는 지구 밖에 떠있는 인공위성이 지구의 두 지점으로 붉은 레이저를 발사하고 있는 모습이 실렸습니다. 이 그림의 주인공은 중국의 양자통신위성 ‘모쯔(Micious)’호 입니다. 모쯔호는 지난해 8월 16일 중국의 주취안 위성발사센터에서 창정2D 로켓에 실려 발사되었습니다. 모쯔라는 이름은 한국식 한자 발음으로는 ‘묵자'이고, 기원전 5세기 춘추전국시대의 사상가이자 과학자로 알려진 ‘묵자(墨子)’의 이름을 딴 것이라고 합니다. 해당 논문지에는 중국과학원의 연구팀이 모쯔 양자통신 위성을 이용하여 1203 km 떨어진 두 곳에서 양자정보를 ‘순간' 이동시키는 실험에 성공했다는 논문이 실렸습니다.

탐사선이 태양계 밖에서 보내는 신호도 받을 수 있는 시대입니다. 이런 시대에 겨우 1200 km 떨어진 곳에서 통신을 성공했다는 것이 뭐가 그렇게 대단한 것일까요? 여기서 대단한 것은 통신의 성공이 아니라 ‘순간'적인 통신의 성공입니다. 신호라는 것은 한 곳에서 출발해서 다른 곳으로 전달되는 것이기에 시간차가 있을 수 밖에 없습니다. 전선을 따라 전달되는 전기신호의 경우는 말할 것도 없고, 빛을 이용하는 가장 빠른 신호 체계의 경우에도 거리에 따른 시간차가 생깁니다. 빛의 속도로 움직인다해도 태양에서 지구에 도달하기까지 8분 여의 시간이 필요합니다. 즉, 태양에서 신호를 보낸다면 8분 뒤에 지구에서 그 신호를 받게 됩니다. 명왕성(Pluto)을 탐사하는 뉴호라이즌스(New Horizons)가 보내는 신호들은 지구에 도착할 때까지 4시간 20여분이 걸립니다. 북극성은 지구로부터 약 1000광년(1광년 : 빛이 1년동안 직진해서 도달할 수 있는 거리) 떨어진 곳에 있으니, 오늘 밤하늘에서 북극성을 보신다면 1000년전 북극성을 출발한 빛을 보신 것입니다. 

이렇듯 현존하는 모든 신호체계가 근본적으로 시간차를 갖을 수 밖에 없음에도 불구하고 ‘순간'적인 신호이동이 가능한 것은 양자얽힘(Quantum entanglement)라는 원리 덕분입니다. 양자얽힘은 1964년 영국의 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell, 1928-1990)에 의해 처음 발표되었습니다. 양자얽힘에 따르면, 매우 작은 두 입자들이 어떤 특별한 관계, 즉 얽힘을 갖게 만든 후, 한쪽의 상태를 변화시키면 다른 입자의 상태가 자동적으로 변화하게 됩니다. 마치 자석의 N극과 S극 관계와 같다고 상상할 수 있습니다. 두 자석을 서로 잡아당길 수 있는, 하지만 완전히 붙지는 않을 거리에 위치시키고, 한쪽 자석으로 돌리면 다른쪽 자석이 함께 움직이는 모습과 비슷한 원리입니다. 특이한 점은 자석은 일정 거리를 벗어나 서로 잡아당기는 인력(attractive force)이 약해지면, 이런 식의 얽힘은 더이상 만들어 낼 수 없는 것과 달리 양자얽힘은 거리에 무관하다는 것입니다. 또한 얽힘에 의한 상태변화는 빛에 의한 신호전송이 아니기 때문에 본질적으로 ‘동시적으로' 일어나는 변화입니다. 그러므로 먼 거리에서 양자얽힘을 유지할 수 있는 것이 사실이라면, 두 양자적으로 얽힌 입자들을 먼 거리에 옮겨 놓은 후 양쪽의 상태변화를 통해서 신호를 주고 받을 수 있게 되는 것입니다. 마치 서울에서 자석을 돌렸을 때, ‘동시적으로' 밴쿠버에 있는 자석이 돌아감을 관측할 수 있고, 이를 통해 ‘아, 서울의 자석이 돌아갔구나'라는 사실을 바로 알 수 있는 것입니다. 

물론 벨이 처음 양자얽힘을 이야기할 때에는 실험적으로 증명된 것은 아니었습니다. 그는 이론적 계산에 의해 양자얽힘을 나타내는 수학적 식을 증명했는데, 그 방정식 내에 거리에 대한 인자가 포함되지 않는다는 것을 보인 것입니다. 워낙 다른 물리학적 이론과 일치하지 않는 이론이기 때문에 발표 당시에도 쉽게 받아들여지지 않았습니다. 아인슈타인이 양자얽힘을 ‘원격으로 이루어지는 유령의 장난(spooky actions at a distance)’이라고 폄하하듯 이야기했다는 말도 전해집니다. 하지만, 70년대 이후 많은 실험을 통해서 양자얽힘 현상은 잘못된 계산이 아니라 실제 존재하는 물리적 현상임이 밝혀졌습니다. 지금까지 많은 실험실에서 바로 옆 테이블, 옆 연구실 등으로 분리된 두 입자가 양자얽힘에 의해 순간적으로 상태를 바꾸는 것을 증명했습니다. 지난 5-6년간 각국의 연구팀들은 수 미터에서 멀리는 수십 킬로미터 간격에서 양자얽힘을 이용한 통신을 확인했습니다. 원리적으로 거리에 전혀 상관없이 정보교환이 가능함에도 불구하고 두 입자간의 간격을 늘리는 것이 힘들었던 이유는 얽힘에 의한 상태변화에 문제가 있어서가 아니라, 아주 작은 입자의 양자상태를 그대로 유지하면서 먼거리로 보내는 것 자체가 힘들기 때문입니다. 중국의 연구팀은 인공위성을 이용해 대기권밖에서 레이저를 이용해 광양자(광자, photon)를 전송함으로써 1000 km가 넘는 거리로 전송을 가능하게 한 것입니다. 

양자통신은 순간적인 정보교환이 가능하다는 것과 더불어 보안상의 엄청난 장점을 갖습니다. 양자상태라는 것은, 조금 모호하게 들릴 수 있지만, 측정과 함께 상태가 결정됩니다. 즉, 1과 0의 상태가 측정전까지는 동시에 50 퍼센트의 확률로 동시에 존재하다가 측정의 순간 1 또는 0의 결과를 보여준다는 것입니다. 더 쉽게 표현하면 측정함이 곧 결과를 결정하게 됩니다. 즉, 정보의 전달 중에 누군가가 그 정보를 해킹하려 한다면, 해킹을 하려는 시도로 인해 정보자체가 변화하고, 이미 해킹된 정보라는 것을 알 수 있게 됩니다. 그렇기 때문에, 양자 통신은 근본적으로 해킹이 불가능한 가장 안전한 정보교환방식이 될 것이라고 기대됩니다. 

중국 연구팀의 결과로 지금 바로 꿈의 양자통신의 시대가 열리는 것은 아닙니다. 연구팀의 논문에 따르면 이번 양자 전송의 성공은 약 600만개의 입자를 전송한 가운데 단 하나의 신호만이 도착한 것입니다. 아직은 확실한 성공이라고 볼 수 없는 상태입니다. 하지만, 꿈의 통신기능의 가능성을 보여준 초석과 같은 연구결과라고 할 수 있을 것입니다. 앞으로 계속 진행될 모쯔호를 이용한 실험과 다른 여러 연구팀들의 실험들을 통해 머지 않아 양자통신이 지금의 LTE 무선 통신과 같이 널리 사용되는 날이 곧 올 것이라 기대합니다. 제가 어릴 때만 해도 해외 전화통화를 하면 전파가 상대방에게 도달하는 시간을 기다려야 하기 때문에 대화중에 약간의 기다림이 항상 있었습니다. 지금의 어린 아이들은 무슨 말인지 이해가 되지 않을 것입니다. 언젠가 머지 않은 미래에는 LTE가 무엇이고, 왜 정보를 도난당할 수도 있다는 걱정을 했는지 이해하지 못하는 세대가 올 수도 있을 것입니다.