울산과학기술원(UNIST)은 물리학과 이석형 교수가 양자역학과 상대성이론의 시공간 불일치 문제를 해결할 새로운 이론 체계를 구축했다고 22일 밝혔다.

양자역학과 상대성이론은 100년 넘게 공간과 시간을 바라보는 관점 차이로 통합되지 못했다. 상대성이론은 이 둘을 시공간으로 통합해 다루지만, 양자역학은 공간만 양자 상태로 정의하고 시간은 변화 과정으로만 취급해왔다.

이석형 교수가 제시한 핵심 개념은 '시간 위의 다자 양자 상태'다. 여러 시점의 양자 과정을 하나의 거대한 양자상태로 묶어 표현하는 방식으로, 공간적·시간적으로 떨어진 계를 동일한 수학 구조에서 다룰 수 있게 만들었다. 이 교수는 "공간상 양자 상태와 시간상 양자 과정을 통일된 수학 언어로 기술했다"고 설명했다.

이번 연구는 '피지컬 리뷰 레터스(Physical Review Letters)'에 게재됐다. 해당 저널은 1995년부터 2017년까지 노벨 물리학상 수상 업적의 28.5%가 게재된 곳으로, 네이처(4.7%)와 사이언스(5.6%)를 크게 앞선다.

학부에서 물리학과 수학을 복수 전공한 이 교수는 복잡한 가정 대신 두 가지 직관적 가정만으로 시간 양자 상태의 수학적 구조를 유일하게 증명해냈다.

연구진은 시간 위의 다자 양자 상태가 커크우드-디랙(Kirkwood-Dirac) 준확률분포와 일대일 대응한다는 점도 밝혀냈다. 이로써 퀀텀 스냅샷 같은 최신 측정 기술로 시간 양자 상태 현상을 실제 관찰할 수 있게 됐다.

이 교수는 "양자정보과학, 양자계측, 나아가 양자중력 같은 궁극적 통일이론 연구에 새로운 도구가 되길 기대한다"고 말했다. 이번 연구는 중국 하이난대학교 수리통계학과 제임스 풀우드(James Fullwood) 교수가 교신저자로 참여했으며, UNIST와 정보통신기획평가원의 지원을 받았다.