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출처와 참고
「Qubit」(qubit.donghwi.dev)의 「양자역학의 기초」, 「양자역학에 대한 오해」 편을 바탕으로 재구성한 노트다. 양자 컴퓨터 쪽은 양자 컴퓨터의 원리에 있다.
양자역학이란
양자역학은 원자, 전자, 광자처럼 아주 작은 입자(아원자 세계)의 성질을 다루는 물리학이다. 이 세계의 입자는 일상의 직관과 전혀 다르게 행동한다. 그런데도 양자역학의 계산은 실험 결과를 매우 정확하게 예측한다. 반도체, 레이저, MRI 같은 현대 전자 기술이 모두 그 위에 서 있다.
이중 슬릿 실험
틈이 두 개 있는 판(이중 슬릿)에 무언가를 통과시키고 뒤쪽 스크린에 생기는 무늬를 본다. 무늬로 대상이 입자인지 파동인지 알 수 있다.
| 통과시키는 것 | 스크린 무늬 | 이유 |
|---|---|---|
| 공(입자) | 두 줄 띠 | 공 하나는 한쪽 틈으로만 지나간다 |
| 물결(파동) | 여러 줄의 간섭 무늬 | 두 틈에서 나온 파동이 만나 보강·상쇄된다 |
| 전자를 하나씩 | 간섭 무늬 | 전자 하나가 파동처럼 두 틈을 함께 지나 스스로 간섭한다 |
| 전자 + 어느 틈으로 갔는지 측정 | 두 줄 띠 | 경로를 알아내는 순간 간섭이 사라진다 |
질량이 있는 입자인 전자가 파동처럼 간섭하고, 경로를 관측하면 다시 입자처럼 행동한다. 1961년 클라우스 옌손(Claus Jönsson)이 전자로 이중 슬릿 간섭을 처음 보였고, 이후 전자를 한 개씩 쏘아도 무늬가 쌓인다는 것이 확인됐다. 뉴턴 역학으로는 설명할 수 없는 이 결과가 양자역학을 필요로 했다.
파동-입자 이중성
양자 물질은 상황에 따라 입자로도, 파동으로도 행동한다. 이를 파동-입자 이중성이라 한다. 전자와 광자뿐 아니라 모든 물질이 파동성을 지닌다. 다만 큰 물체일수록 파장이 짧아 일상에서는 드러나지 않는다.
양자 중첩(Quantum Superposition)
양자역학의 수식은 결과를 정확히 내놓지만, 중간에 나오는 값이 현실에서 무엇을 뜻하는지는 해석의 문제다. 가장 널리 가르치는 코펜하겐 해석은 이렇게 본다.
관측 전의 입자는 가능한 모든 상태에 확률적으로 동시에 존재하다가, 관측하는 순간 하나로 정해진다.
- 상태별 확률은 파동 함수에서 나온다. 파동 함수 크기의 제곱이 그 상태를 관측할 확률이다.
- 관측하면 한 상태로 정해지고 나머지 확률은 0이 된다. 이를 파동 함수의 붕괴라고 한다.
- 비유하면 긁기 전의 즉석 복권이다. 긁기 전엔 당첨과 꽝이 겹쳐 있고, 긁는 순간 하나로 정해진다. 다만 복권은 이미 정해진 결과를 모를 뿐이고, 양자 상태는 관측 전엔 정말로 정해져 있지 않다는 점이 다르다.
중첩은 양자 컴퓨터의 큐비트가 0과 1을 동시에 갖는 원리다.
양자 얽힘(Quantum Entanglement)
두 양자 물질이 얽혀 있으면, 하나를 관측해 상태가 정해지는 순간 다른 하나의 상태도 함께 정해진다. 예를 들어 「둘의 색은 항상 반대」로 얽힌 두 입자에서 하나가 빨강으로 관측되면 다른 하나는 관측하지 않아도 파랑이다.
- 이 상관관계는 거리와 무관하다. 우주 양 끝에 떨어뜨려 놔도 성립한다.
- 아인슈타인은 이것이 빛보다 빠른 영향처럼 보인다며 「으스스한 원격 작용(spooky action at a distance)」이라 불렀다.
- 그러나 얽힘으로 정보를 빛보다 빨리 보낼 수는 없다. 내 쪽 관측 결과는 무작위라서, 상대와 결과를 맞춰 보려면 결국 일반 통신이 필요하다. 그래서 상대성이론과 충돌하지 않는다.
- 숨은 변수로 이 상관관계를 설명할 수 없다는 것은 벨 부등식 실험으로 확인됐다. 이 실험을 한 아스페, 클라우저, 차일링거가 2022년 노벨 물리학상을 받았다.
얽힘은 양자 컴퓨터에서 여러 큐비트를 연결하는 원리다.
흔한 오해
| 오해 | 실제 |
|---|---|
| 양자역학은 어려워서 진전이 더디다 | 근대 과학에서 가장 성공한 이론 중 하나다. 예측이 매우 정확하고 대부분의 전자 기술이 그 덕을 본다. 어려운 것은 직관과 다르다는 점과, 수식이 무엇을 뜻하는지(해석)가 아직 열려 있다는 점이다 |
| 뉴턴 역학은 양자역학으로 대체됐다 | 양자역학은 고전역학을 포함하는 더 일반적인 이론이다. 큰 규모에서는 양자역학의 결과가 고전역학과 같아진다(대응 원리). 거시 세계는 지금도 뉴턴 역학으로 충분히 정확하다 |
| 아인슈타인은 양자역학을 부정했다 | 광전 효과로 광자 개념을 내놓아 양자역학을 연 사람 중 하나다. 그가 반대한 것은 확률적 해석과 비국소성이다. 「신은 주사위를 던지지 않는다」는 말이 여기서 나왔다. 이 논쟁이 이론을 다듬었고, 벨 실험은 국소적 숨은 변수를 배제했다 |
| 코펜하겐 해석이 정답으로 확정됐다 | 교과서에서 가장 많이 쓰는 해석일 뿐이다. 다세계 해석 등 여러 해석이 같은 실험 결과를 설명하며, 어느 것이 맞는지는 아직 정해지지 않았다 |
정리
- 이중 슬릿 실험: 전자도 파동처럼 간섭하고, 경로를 관측하면 간섭이 사라진다.
- 중첩: 관측 전엔 여러 상태가 확률로 겹쳐 있고, 관측하면 하나로 정해진다.
- 얽힘: 떨어진 두 입자의 관측 결과가 상관돼 있지만, 이것으로 정보를 빛보다 빨리 보낼 수는 없다.
- 양자역학은 계산은 정확하고 해석은 열려 있는 이론이다.
관련 노트: 양자 컴퓨터의 원리, 컴퓨터 시스템의 기본 구성