양자광학자 김세정 교수가 도서관, 실험실, 복싱장에서 얻은 깨달음

김세정 교수는 학창 시절 학원에 가는 대신 동네 도서관에서 시간을 보냈다고 밝혔다. 친구들이 학원 버스에 오를 때 홀로 도서관으로 향했던 습관이 그를 양자광학 연구실로 이끌었다고 설명했다. 그는 AI가 정답을 찾아주는 시대에 인간에게 남은 능력은 무엇일지에 대한 근원적인 질문을 던지며 강연을 시작했다.

그는 "저는 학창 시절에 학원을 전혀 다니지 않았습니다. 친구들이 방과 후 학원 버스에 오를 때 동네 도서관으로 갔습니다."라고 말했다.

김세정 교수는 어렸을 때 군인이 되는 것이 꿈이었다고 고백했다. 직업 군인이셨던 아버지의 영향도 있었고, 어린 시절 읽었던 책들이 군인의 꿈을 키우는 데 큰 영향을 주었다고 언급했다. 그는 육군사관학교 진학을 목표로 삼고 준비하며 미래를 계획했다고 밝혔다.

그는 "저는 어렸을 때 군인이 되고 싶었습니다. 직업 군인이셨던 아버지의 영향도 있었고, 어릴 적 읽었던 책의 영향도 있었습니다."라고 회상했다.

고등학교 3학년 때까지 자신이 평발인 줄 전혀 몰랐던 그는 엑스레이 사진 촬영 후 최종적으로 불합격 통보를 받았다. 이 예상치 못한 결과는 그에게 큰 충격으로 다가왔다.

김 교수는 "엑스레이 사진을 찍은 후에 최종적으로 평발로 인한 불합격 판정을 받았습니다. 저는 고3 때까지도 제가 평발인 줄을 몰랐습니다."라고 당시의 상황을 전했다.

예상치 못한 좌절에도 불구하고, 김세정 교수의 인생을 움직인 것은 학창 시절부터 이어온 도서관 습관이었다. 학원 대신 도서관에서 닥치는 대로 책을 읽으며 그는 세상을 탐구하고 자신만의 질문을 던지는 법을 익혔다. 이 습관은 군인의 꿈이 좌절된 후 새로운 방향을 모색하는 데 중요한 역할을 했다.

그는 "인생은 자주 계획과는 다르게 흘러갔습니다. 제 인생을 움직인 건 따로 있었습니다. 저는 학창 시절에 학원을 전혀 다니지 않았습니다. 친구들이 방과 후 학원 버스에 오를 때 저는 혼자서 동네 도서관으로 갔습니다."라고 설명했다.

도서관에서 책을 읽으며 김세정 교수는 태양과 같은 항성도 언젠가는 죽는다는 사실을 알게 되었고, 이는 사춘기 학생에게 큰 충격으로 다가왔다. 이 충격은 생명의 유한함과 우주의 작동 방식, 그리고 보이지 않는 세계에 대한 근원적인 질문으로 이어졌다. 그는 이 질문들을 오랫동안 붙잡고 깊이 탐구하기 시작했다.

김 교수는 "태양 같은 항성도 언젠가는 반드시 타오르기를 멈추고 죽는다는 사실을 알게 되었고, 이는 사춘기 학생이었던 저에게 꽤 큰 충격으로 다가왔습니다. 그 충격을 오래 붙잡았습니다. 생명은 죽으면 어디로 갈까? 우주에서는 무슨 일이 일어날까? 보이지 않은 세계는 어떻게 작동할까?"라고 당시의 생각들을 밝혔다.

이 책을 읽고 그는 우주 연구에 대한 마음과 함께, 그러한 연구가 가능하려면 우리나라가 강해야 한다는 생각을 하게 되었다. 이러한 깨달음을 바탕으로 사관학교에 진학하여 물리와 무기를 함께 공부하겠다는 구체적인 꿈을 품게 되었다고 말했다.

그는 "김진명 작가의 『무궁화 꽃이 피었습니다』라는 책이었습니다. 그 책을 읽고 생각을 했습니다. 우주를 연구하고 싶다는 마음도 있었지만, 그보다 우리나라가 강해야 그런 연구도 가능하겠다는 생각이 들었습니다. 그래서 사관학교에 가서 물리와 무기를 함께 공부해야겠다는 꿈을 품었었습니다."라고 언급했다.

군인의 꿈이 좌절된 후에도 도서관에서 얻은 '자신이 흥미를 느끼는 것을 깊이 파고드는 습관'은 남아 있었다. 김세정 교수는 다시 물리를 공부하기로 결심하고 서강대학교 물리학과에 입학했다. 실험 기구를 직접 만지고 작동시키면서 군인이 되겠다고 결심했을 때와 같은 설렘을 느꼈고, 결국 빛을 연구하는 학문인 광학을 전공하기로 결정했다.

김 교수는 "도서관에서 자한 외를 파고드는 습관 그것은 그대로 남아 있었습니다. 다시 물리를 공부하기로 다짐한 저는 서강대학교 물리학과에 입학했습니다. 실험 기구를 직접 손으로 만지고 작동시키는데 군인이 되겠다는 결심을 했던 그때처럼 다시 가슴이 뛰었습니다. 그래서 결정을 했습니다. 빛을 연구하는 학문 광학을 전공하겠다고."라고 말했다.

우주에 대한 궁금증도 그러했고, 빛의 본질에 대한 탐구 역시 이러한 호기심의 연장선에 있었다. 이러한 선천적인 궁금증이 그를 광학 분야로 이끌었음을 시사한다.

그는 "저는 눈에 보이지 않는 세계가 늘 궁금했던 것 같습니다. 우주도 그랬고 빛도 그랬습니다."라고 말했다.

이 작은 빛 알갱이 하나가 미래의 정보 통신 보안과 깊이 연결되어 있다고 김 교수는 강조했다.

양자 세계에서는 누군가 정보를 몰래 들여다보는 순간 양자의 '중첩' 상태가 무너지면서 그 흔적이 남게 된다. 김세정 교수는 도청 행위 자체를 막는 것이 아니라, 도청했다는 사실 자체를 결코 숨길 수 없게 만드는 것이 양자 암호 통신의 원리이며, 이것이 이 기술이 원리적으로 안전한 이유라고 설명했다.

그는 "양자 세계에서는 누군가 정보를 몰래 들여다본다면 그 순간 중첩이 무너지면서 흔적이 남습니다. 즉 도청하는 행위를 막는 게 아니라 도청했다는 사실 자체를 결코 숨길 수 없게 만드는 것, 이것이 양자 암호 통신이 원리적으로 안전한" 것이라고 덧붙였다.

김세정 교수는 일반적인 전등이 매 순간 수십억 개의 빛 알갱이를 쏟아내는 것과 달리, 단광자원은 정확히 그 반대인 '하나의 빛 알갱이'만을 내보내는 것이 핵심이라고 설명했다.

그는 "이러한 기술이 가능하려면 빛이 하나씩만 나오는 광원이 필요합니다. 연구자들은 이걸 단광자원이라고 부릅니다. 말은 간단하게 들리지만, 우리가 흔히 켜는 전등은 매 순간 수십억 개의 빛 알갱이를 쏟아냅니다. 저희가 원하는 건 정확히 그 반대입니다."라고 말했다.

눈에 보이지 않을 만큼 작은 빛 알갱이가 정말 하나씩만 나오는지 확인하기 위해 과학자들은 '빔 스플리터'라는 광학 소자를 사용한다. 빔 스플리터는 빛을 절반은 통과시키고 절반은 반사시키는 갈림길 같은 장치로, 양쪽 끝에 검출기를 하나씩 놓는다. 빛 알갱이는 더 이상 쪼개질 수 없으므로 갈림길 앞에서 무조건 한쪽 길만 선택하게 된다. 따라서 두 검출기가 동시에 울리는 일은 없어야 한다. 만약 동시에 울린다면, 그것은 광원이 빛 알갱이를 두 개씩 내보내고 있다는 의미가 된다.

김세정 교수는 "저희는 이 동시에 울리는 횟수를 셉니다. 그 횟수가 거의 0에 가까울수록 정말 광자가 하나씩만 나오고 있다는 확실한 증거가 됩니다."라고 설명하며, 이 방법을 통해 단광자원의 성능을 검증한다고 밝혔다.

빛 알갱이 하나의 신호는 일반적인 빛보다 훨씬 약하기 때문에, 연구실은 항상 어둡고 감도 좋은 검출기로 며칠이고 같은 자리를 들여다봐야 한다. 좋은 신호 하나를 잡기 위해 밤샘 측정을 하는 일도 흔하다고 덧붙였다.

그는 "저는 호기심을 따라서 광자 앞에 섰지만 그 호기심에 답하는 과정은 전혀 낭만적이지 않았습니다. 저희 실험실은 늘 어둡습니다. 빛 알갱이 하나의 신호는 일반적인 빛보다 훨씬 약해서 어두운 방에서 감도 좋은 검출기로 며칠이고 같은 자리를 들여다봅니다. 좋은 신호 하나를 잡으면 밤을 새워서 측정하는 일도 흔합니다."라고 연구의 고충을 설명했다.

김세정 교수가 박사후 연구원으로 시드니 연구실에 있을 때, 한 대학원생이 HBN이라는 2차원 물질에서 상온에서도 빛 알갱이가 하나씩 나오는 신호를 처음 관측했다. 이 발견은 단광자원 실험 시 온도를 낮추는 장비가 더 이상 필요 없게 만들며 연구의 전환점이 되었다. 김 교수는 이 단광자원을 더욱 밝게 만드는 연구에 집중했다.

단광자원이 밝다는 것은 빛 알갱이가 하나 나온 후 다음 빛 알갱이가 나오는 데 걸리는 시간이 짧다는 것을 의미한다. 이를 위해 그는 빛이 퍼지지 않고 오랫동안 머무르게 하는 적혈구보다 작은 크기의 '광공진기'를 활용하는 연구를 진행했다.

이 결합을 통해 단광자원이 빛 알갱이를 더욱 빠르게 뿜어내도록 만들 수 있게 되었다. 이는 미래 양자 통신 시대의 데이터 전송률을 획기적으로 높일 수 있는 초석이 된다는 점에서 큰 의미가 있다.

그는 "제가 만든 광공진기와 앞서 설명한 단광자원 모두 눈에 보이지 않는 매우 작은 크기이다 보니 이 둘을 결합하는 것은 결코 쉬운 일이 아니었는데요. 저는 4년 동안 수많은 시행착오를 거듭한 끝에 마침내 단광자원이 빛 알갱이를 더욱 빠르게 뿜어내도록 만들 수 있게 되었습니다. 우리가 인터넷을 사용할 때 초당 전송 속도가 중요하듯이 양자 통신에서 1초당 더 많은 단광자원을 보낼 수 있다는 것은 미래 양자 통신 시대의 데이터 전송률을 획기적으로 높일 수 있는 초석이 됩니다."라고 강조했다.

또한 호주 과학자에게 수여하는 신진상과 같은 '퍼피 어워드'를 수상하는 영예를 안았다. 그는 호주에서 학연이나 지연이 전혀 없는 이방인 과학자로서 이 모든 결과는 기대하지 못했던 것이라고 소감을 밝혔다.

김 교수는 "이것은 호주에는 학연도 지연도 없는 저 같은 이방인 과학자로서는 기대하지 못한 결과들이었습니다."라고 겸손하게 말했다.

김세정 교수는 어려운 실험을 성공시키는 비결이 단 한 번의 영감이 아니라 셀 수 없이 반복했던 실패한 측정들이었다고 말했다. 연구실에는 천재적인 동료들도 있지만, 그가 보고 배운 것은 결국 같은 질문 앞에서 몇 번이고 다시 도전하는 사람들의 끈기였다고 강조했다. 그는 이러한 '하나의 질문을 오래 붙들고 있는 힘'을 연구실뿐만 아니라 복싱장에서도 배우고 있다고 언급했다.

복싱장에 가고 싶지 않은 날이 많지만, '하기 싫어도 일단 한다'는 것을 기본값으로 정해두니 결국 매일 가게 되었다는 것이다. 김 교수는 "어떤 분야를 마스터하는 사람은 특별한 재능을 가진 사람이 아니라 같은 일을 반복할 수 있는 사람이라는 걸 저는 연구실에서 그리고 복싱장 거울 앞에서 매일 다시 깨닫고 있습니다."라고 덧붙였다.

그는 이 세 공간이 겉보기에는 전혀 다르지만, 사실은 같은 이야기를 하고 있었다고 강조했다.

그는 "도서관에서는 질문하는 법을 배웠고, 실험실에서는 답을 찾는 법을 배웠고, 복싱장에서는 반복하는 힘을 배우고 있습니다. 세 공간은 전혀 달라 보이지만 사실 같은 이야기를 하고 있었습니다."라고 말했다.

그는 가장 빠르게 정답을 찾는 것은 이제 기계일 수 있으며, 어떤 문제들은 사람보다 AI가 더 정확하고 빠르게 해결한다고 인정했다. 그러나 어떤 질문을 던질지, 그리고 그 질문이 정말 풀어볼 가치가 있는지를 정하는 일은 여전히 인간의 몫이라고 강조했다.

그는 "가장 빠르게 정답을 찾는 건 이제 기계일지도 모릅니다. 어떤 문제는 사람보다 AI가 더 정확하고 더 빠르게 풀어냅니다. 하지만 어떤 질문을 던질지, 그리고 그 질문을 정말 풀어볼 가치가 있는지 정하는 일은 여전히 우리의 몫입니다."라고 설명하며 AI 시대 인간의 고유한 역할을 역설했다.

김세정 교수는 육군사관학교 신체검사에서 평발 판정을 받고 최종 불합격을 받았던 그날의 기억을 아직도 또렷이 기억한다고 밝혔다. 당시 그는 인생의 한 문이 닫혔다고 생각했지만, 지금 와서 돌이켜보면 그것은 군인이 되는 길 하나가 닫혔을 뿐, 오히려 그날을 통해 더 많은 기회의 문이 열렸다는 것을 깨달았다고 말했다.

그는 "평발 판정을 받던 그날, 장교들이 있는 방에서 최종 불합격을 받던 장면을 저는 아직도 또렷이 기억합니다. 그날 저는 제 인생에 문 하나가 닫혔다고 생각했습니다. 그런데 지금 와서 보면 닫힌 건 군인이 되는 길 하나였을 뿐이고, 그날 더 많은 기회의 문이 열렸습니다."라고 강연을 마무리하며, 좌절이 새로운 기회를 가져올 수 있다는 희망적인 메시지를 전달했다.