김명식 교수, 빛의 양자성을 계산·통신 자원으로…英 톰슨 메달

[경제일보] 빛과 물질의 독특한 양자적 성질을 계산과 통신에 활용할 수 있는 자원으로 설명해온 김명식 임페리얼칼리지 런던 물리학과 교수가 영국물리학회(IOP)의 ‘2026 조지프 톰슨 메달·상’ 수상자로 선정됐다. 양자 현상을 이해하는 기초연구와 이를 기술로 구현하는 방법 사이에 다리를 놓았다는 평가다.

16일 IOP와 임페리얼칼리지에 따르면 김 교수는 현대 양자광학의 연구 범위를 넓히고 양자정보과학과 연결한 공로를 인정받았다. 임페리얼칼리지는 지난 12일 수상 소식을 발표했다.

조지프 톰슨 메달은 전자를 발견한 영국 물리학자 조지프 존 톰슨을 기리는 상이다. IOP가 원자·분자물리학 분야에 뛰어난 공헌을 한 연구자에게 짝수 해마다 수여하는 분야별 메달로, 상금은 1000파운드다.

이번 수상의 핵심은 ‘양자적 성질이 얼마나 유용한가’를 다룬 연구다. 양자광학은 빛과 물질이 미시적 규모에서 어떻게 상호작용하는지 탐구한다. 여기서 얻은 지식은 빛을 이용한 양자컴퓨팅과 통신, 정밀 측정 기술의 기반이 된다.

김 교수가 연구해온 ‘비고전성’은 고전적인 빛의 이론으로 설명할 수 없는 성질을 뜻한다. ‘얽힘’은 여러 입자나 광학계의 상태를 각각 독립적으로 설명할 수 없는 양자적 연결이다. 두 성질은 관련돼 있지만 같은 개념은 아니다. 어떤 조건에서 하나를 다른 형태의 자원으로 바꿀 수 있는지, 그 크기를 어떻게 비교할지가 기술 설계의 중요한 문제가 된다.

대표 사례는 2002년 국제학술지 ‘피지컬 리뷰 A’에 발표한 공동연구다. 연구진은 빛을 나누거나 합치는 광학 소자인 빔스플리터에 어떤 상태의 빛을 넣어야 출력에서 얽힘이 생기는지 분석했다. 입력한 빛의 비고전성과 출력의 얽힘 사이에 필요한 조건을 밝혀, 두 양자적 성질의 관계를 구체화했다.

이런 접근은 2018년 ‘피지컬 리뷰 X’ 공동논문으로도 이어졌다. 연구진은 광학 소자와 측정으로 비고전성을 조작하는 과정을 분석하고 이를 비교할 수 있는 정량적 척도를 제시했다. 양자적 성질의 존재를 확인하는 데서 나아가, 주어진 장치와 조작으로 무엇을 할 수 있고 무엇은 어려운지를 따지는 이론적 틀이다.

IOP는 김 교수가 양자적 상관관계를 실제 계산할 수 있는 척도를 제안한 점도 평가했다. 추상적인 개념을 실험에서 확인하고 기술적으로 활용할 수 있는 형태로 바꾼 것이 연구 전반의 특징이라는 설명이다.

양자컴퓨팅 분야에서는 빛의 연속적인 물리량과 결맞음 상태를 활용하는 계산 구조를 연구했다. IOP는 이 연구가 오늘날 학계와 산업계에서 개발 중인 보손 부호 양자컴퓨팅의 개념적 기반을 마련했다고 평가했다. 보손 부호는 빛이나 진동처럼 여러 상태를 가질 수 있는 물리계에 양자정보를 담고 오류로부터 보호하는 접근이다.

김 교수의 현재 연구도 양자 시뮬레이션과 컴퓨팅, 양자프로세서 오류 분석·억제, 양자 장치를 활용한 기초물리 검증으로 이어지고 있다. 최근에는 실제 물리계에서 구현 가능한 방식으로 양자광학 개념을 머신러닝에 적용하는 연구를 진행하고 있다.

김 교수는 대학을 통해 “뛰어난 학생들과 훌륭한 동료들과 함께 양자역학에 대한 이해를 넓힐 수 있었던 것은 큰 기쁨”이라며 “이번 상은 그들과 함께 이뤄낸 연구의 결실을 인정받는 것”이라고 밝혔다.