생명은 양자적이지 않을지 몰라도, 그 수학은 양자와 닮았습니다

AI 요약

양자생물학은 생명체가 양자역학의 특이한 성질을 이용하는지 묻습니다. 광합성의 높은 효율이나 새의 자기장 감각이 그 후보로 거론됐지만, 따뜻하고 복잡한 세포 안에서 양자 결맞음(quantum coherence)이 오래 유지되기는 어렵습니다. 프린스턴대 화학자 그레고리 스콜스(Gregory Scholes)는 최근 생명체가 실제 양자 상태를 활용하기보다, 고전적 시스템으로 양자 현상을 닮은 동작을 만들 가능성에 주목합니다.

광합성에서 양자 결맞음으로

광합성 생물은 빛수확 복합체(light-harvesting complex)에서 광자를 흡수합니다. 에너지를 받은 전자는 엑시톤(exciton)이 되어 반응 중심으로 이동하고, 그곳에서 화학 에너지로 바뀝니다. 거의 모든 흡수 광자가 광합성에 쓰이는 높은 효율을 설명하려고, 연구자들은 엑시톤이 여러 분자에 걸쳐 결맞음을 유지하면 여러 경로를 동시에 탐색할 수 있다고 제안했습니다.

2007년 그레이엄 플레밍(Graham Fleming) 연구진은 세균의 빛수확 복합체에 레이저 펄스를 쏘고 뒤이어 측정하는 실험을 했습니다. 관측된 동기화된 진동은 엑시톤 사이의 양자 간섭으로 해석됐고, 스콜스 연구진을 비롯한 여러 팀도 비슷한 신호를 찾았습니다. 그러나 후속 연구에서 이 신호는 오래 지속되는 양자 결맞음이 아니라, 진동하는 분자 결합 사이의 공명으로 설명됐습니다. 흥미로운 현상이지만 생명체가 양자 상태를 기능에 활용한다는 증거는 아니었습니다.

양자 터널링(quantum tunneling)은 이와 구별해야 합니다. 수소 원자처럼 작은 입자가 에너지 장벽을 통과하는 현상은 일부 효소 반응 속도를 설명할 수 있습니다. 하지만 짧고 피하기 어려운 효과이며, 살아 있는 세포만의 능력을 보여주지는 않습니다. 양자생물학에서 더 큰 질문은 생명체가 결맞음을 충분히 오래 유지해 자원으로 쓰는지입니다. 현재까지 생물학적 기능을 가진 장수명 양자 결맞음의 확실한 증거는 없습니다.

고전적 네트워크에서 나타나는 양자 닮은 상태

스콜스 연구진은 진동자들이 복잡한 네트워크를 이룰 때 나타나는 집단적 동기화에 주목했습니다. 양자 상태의 물리적 성질을 걷어내고 수학만 보면, 상태는 가능성 공간의 좌표를 나타내는 벡터로 표현됩니다. 양자역학에서는 힐베르트 공간(Hilbert space)의 벡터들을 더해 중첩(superposition)을 나타내며, 위상 관계가 맞으면 파동이 서로 간섭합니다.

2024년 스콜스는 특정 구조의 진동자 네트워크가 안정적인 동기화 상태를 만들고, 그 상태를 힐베르트 공간의 벡터로 기술할 수 있음을 보였습니다. 네트워크가 흉내 낸 것은 가장 단순한 양자 단위인 큐비트(qubit)입니다. 두 상태를 지닌 큐비트처럼 행동하는 패턴이 생기지만, 네트워크 자체가 양자 상태가 된 것은 아닙니다. 여러 고전적 요소의 상호작용에서 나온 상태가 양자계와 같은 수학적 규칙을 따르는 ‘양자 닮은(quantumlike)’ 상태입니다.

이 수학적 유사성을 물리적 동일성으로 받아들여서는 안 된다는 지적도 나옵니다. 오타와대 물리학자 에브라힘 카리미(Ebrahim Karimi)는 간섭이 양자에만 있는 신비한 현상이 아니라 파동의 성질이라고 강조합니다. 고전계와 양자계가 같은 수학으로 기술된다고 해서 작동 원리까지 같지는 않습니다.

계산 네트워크의 가능성과 한계

양자 닮은 상태는 회로, 뉴런, 스프링으로 연결한 진자 등 여러 네트워크를 설계하는 틀로도 쓰일 수 있습니다. 스콜스 연구진은 양자 닮은 비트들을 더 큰 네트워크로 연결하고, 양자 논리 게이트를 모사하는 설계를 제시했습니다. 연구진은 복잡계 모델링이나 양자 기계학습에 응용할 여지를 살피고 있습니다. 다만 비트를 연결할수록 기반 네트워크의 복잡도가 커집니다. 양자 논리 게이트를 완벽히 모사하려면 무한한 물리 자원이 필요하다는 것이 스콜스의 설명입니다.

스콜스의 연구진과 협업한 연구자들은 어떤 네트워크 구조가 양자 닮은 상태를 만드는지 규명하고, 이를 효율적으로 구성하는 방법을 찾고 있습니다. 2025년에는 진동을 넣은 특정 신경망이 더 효율적이고 견고해진다는 연구도 나왔습니다. 신경생리학자 볼프 싱어(Wolf Singer)는 진동의 위상이 시간상 사건의 관계를 담아 네트워크에 새로운 계산 차원을 제공한다고 설명합니다. 스콜스는 고전계가 얽힘(entanglement)까지 의미 있게 모사할 수 있는지도 연구하고 있습니다.

Hacker News 반응

• @__MatrixMan__ — 생물학이 양자적인지 따지는 기준이 지나치게 엄격한 것 같습니다. 분자가 잠깐이라도 여러 구조의 중첩 상태에 있다가 환경과 상호작용해 한 구조로 결맞음이 깨진다면, 그 구조는 다른 가능한 구조 대신 선택된 셈입니다. 진화는 그 결과를 활용합니다. 고전적인 자물쇠와 열쇠를 가방에 넣고 흔들면 서로 맞물리지 않겠지만, 양자라는 윤활유가 있으면 리간드가 수용체와 결합할 구조를 찾습니다. 생물학은 충분히 양자적입니다.
  • @joebig — 여기에 부정확한 점이 있는 것 같습니다. 결맞음이 깨진다는 건 간섭 현상이 사라진다는 뜻입니다. 이 과정에서 아주 짧은 시간에 지워진 정보가 선호되는 결과를 반복적으로 유도할 수는 없습니다. 비결맞음 광원으로 이중 슬릿을 관측해 간섭무늬 대신 회색 화면을 보는 것과 같습니다.
  • @jryb — 열쇠와 자물쇠 비유는 틀렸습니다. 그 상호작용은 고전적 전기화학으로 예측할 수 있고, 특이성은 양자역학이 아니라 진화가 만듭니다. 단백질 구조를 본뜬 모형을 흔드는 교육 실험에서도 예상한 구조가 나옵니다.
• @smashers1114 — 글은 대중 독자를 겨냥했거나 양자역학의 적용 범위를 충분히 이해하지 못한 것 같습니다. 어떤 계가 고전적인지 양자적인지 가르는 명확한 경계는 없습니다. 분자의 상호작용을 다루는 계산화학은 양자역학을 근사하는 방법에 기반하며 생화학에서 큰 비중을 차지합니다. 제목은 오해를 부릅니다. 글이 실제로 다루는 주제는 생물체에서 장기간 유지되는 결맞음입니다.
• @RagnarD — 생물학과 인간 뇌가 뉴턴 물리학으로 움직이는 것처럼 말하는 글을 계속 보니 지칩니다. 우주의 물질과 에너지는 양자역학으로 이해하며, 화학도 양자역학 없이는 설명할 수 없습니다. “생명은 양자적이지 않을 수 있다”는 제목은 무지한 주장입니다.
  • @armchairhacker — 실제 질문은 뉴턴 물리학이나 과거의 부정확한 화학 모델로 설명할 수 없는 생물학적 현상을 언제 발견하느냐는 것 같습니다.
• @gabia — 새가 양자 효과로 길을 찾는지 여부와 관계없이, 양자 생명공학을 만드는 데는 지장이 없습니다. 관련 논문과 GFP 자기형광 연구 자료를 공유합니다.
• @throwfaraway135 — 물리학, 화학, 생물학이라는 인위적인 경계는 언젠가 없애야 합니다. 더 높은 해상도로 관측하게 되면 학문을 나누는 일이 의미를 잃을 겁니다.
  • @rcxdude — 세 분야는 서로 다른 영역이며 추상화 수준도 다릅니다. 만물 이론이 완성되고 각 계층과 개념을 정확히 연결해도 구분은 계속 의미가 있을 겁니다.

원문: Quanta Magazine / 번역·요약: Trawling