이번 포스팅에서는 “양자컴퓨터의 쉬운 이해” 시리즈의 두번째 글로 양자중첩과 양자얽힘에 대해서 정리해보려고 합니다.
참고로 양자컴퓨터의 기본 개념에 대해서 아래 3가지 글로 구성하였습니다.
(1) 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학
(2) 양자중첩과 양자얽힘 (이번 포스팅)
(3) 큐비트와 양자알고리즘
앞선 포스팅에서 설명한 바와 같이 이중슬릿 실험을 통해 양자의 특징을 확인하고 양자역학 세계를 해석하는 다양한 방식이 제안되면서 그 중에서 가장 널리 받아들여지는 것이 바로 “코펜하겐 해석” 입니다.
이 코펜하겐 해석의 중심이 되는 것이 바로 양자중첩과 양자얽힘 입니다. 이번 포스팅에서는 양자중첩과 양자얽힘에 대해서 정리해보려고 합니다.
양자중첩(Quantum superposition)이란
코펜하겐 해석에 따라 전자 이중 슬릿 실험은 아래와 같이 해석 됩니다.
“전자는 관측되기 전까지 확률적으로 존재 가능한 모든 위치에 동시에 존재한다. 하지만 관측되는 순간 하나의 위치로 결정된다.”
즉, 동시에 여러가지 상태가 중첩되어 있으며 관측되지 않은 전자는 여러 장소에 있을 확률이 중첩되어 있으므로 서로 간섭하는 파동처럼 행동하고, 관측되는 순간 다른 곳에 존재할 확률이 없어지고 하나의 위치로 결정되기 때문에 그 뒤로는 입자처럼 행동한다는 것 입니다.
이러한 입자의 상태에 대한 확률은 “파동함수”로 부터 얻어지는데, 물질을 구성하는 입자 또는 파동의 위치 상태를 확률적으로 표현한 함수를 파동함수라고 합니다.
이 파동함수는 위치가 결정되면서(관측이 되면서) 다른 위치에 존재할 확률이 0이 되고 파동함수가 붕괴됩니다.
이는 마치 복권 긁기와 같이 긁어보기 전에는 당첨된 상태와 당첨되지 않은 상태가 중첩되다가 긁는 순간 둘 중 하나로 결정되면서 다른 하나의 상태가 될 확률이 없어지는 것과 비슷합니다.
하지만 이러한 해석은 초기에는 많은 반발이 있었고 특히 아인슈타인 또한 코펜하겐 해석에 대해 완강하게 부인했습니다.
특히 아인슈타인은 양자역학에 크게 기여했음에도 불구하고 양자역학에 대해 반감이 있어 막스 보른에게 아래와 같은 편지를 보내기도 했습니다.
양자역학은 정말로 인상적이다. 하지만 나의 내면의 목소리는 내게 이것이 아직 진짜가 아니라고 말한다. 이론은 많은 것을 설명해 주지만 옛 존재(Old One)의 비밀을 밝혀주지는 않는다. 나는 어떤 경우에도 신이 주사위를 던지지 않는다고 확신한다.
Quantum mechanics is certainly imposing. But an inner voice tells me that it is not yet the real thing. The theory says a lot, but does not really bring us any closer to the secret of the Old One. I, at any rate, am convinced that He does not throw dice.
아인슈타인
이에 대해 닐스 보어 또는 후대의 스티븐 호킹은 아래와 같이 언급하기도 했습니다.
신이 주사위 가지고 뭘 하든 이래라 저래라 하지 마라
Stop telling God what to do with his dice.
닐스 보어
아인슈타인의 신은 주사위를 던지지 않는다는 말은 틀렸다. 블랙홀을 생각해 보면 신이 주사위를 던질 뿐만 아니라 어쩌면 그가 가끔 우리를 혼동시키기 위해 주사위를 안 보이는 곳으로 던지는지도 모른다.
So Einstein was wrong when he said “God does not play dice”. Consideration of black holes suggests, not only that God does play dice, but that He sometimes confuses us by throwing them where they can’t be seen.
스티븐 호킹
이렇게 실은 현재 물리학계에서는 여전히 논란은 있지만 다수가 코펜하겐 해석을 받아들이고 있습니다.
이렇게 양자중첩은 양자 물질이 관측 전까지 가능한 상태가 모두 확률적으로 양자중첩되어 있는 상태라는 의미로, 양자 컴퓨터의 원리를 설명할 때 중요한 역할을 합니다.
양자얽힘(Quantum entanglement)이란
양자 얽힘이란 양자 물질이 서로 얽혀있는 현상을 의미합니다. 참고로 2022년 노벨물리학상 수상자 3인 또한 양자얽힘을 연구한 교수들에게 돌아갔습니다.
양자얽힘이란 서로 얽혀있는 양자 중의 하나의 양자 상태를 결정하면 다른 하나의 양자 상태 또한 동시에 결정된다는 것 입니다.
예를 들어 두 얽혀 있는 양자가 색깔이 반대가 되도록 되어 있다고 하면 하나를 관측해서 색을 결정하면 다른 하나는 관측을 하지 않았음에도 반대의 색으로 결정이 된다는 것 입니다.
여기에서 놀라운 점은 이 현상이 거리에 무관하게 발생된다는 점 인데요,
가령 얽혀있는 두 양자가 극단적으로 우주의 양 끝단에 위치하더라도 하나를 관측하면 순식간에 다른 우주 한쪽 끝에 있는 다른 물질의 상태를 알 수 있습니다.
이 또한 “빛보다 빠른 물질”의 존재를 의미했으므로 광속을 넘어선다는 사실에 아인슈타인은 특수 상대성이론에 위배되었다고 이를 부정하기도 했습니다. 아인슈타인은 Spooky Action(오싹한 현상)이라고 표현하기도 했습니다.
참고로 양자얽힘에 대한 NASA의 재미난 글이 있어서 아래와 같이 이미지를 가져왔습니다. (출처 : NASA)
이번 포스팅에서는 코펜하겐 해석의 핵심이 되는 양자중첩과 양자얽힘에 대해서 정리해보았습니다. 다음 포스팅에서는 큐비트 양자알고리즘에 대해 정리할 예정입니다.
참고로 양자컴퓨터의 기본 개념에 대해서 아래 3가지 글로 구성하였습니다.
(1) 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학
(2) 양자중첩과 양자얽힘 (이번 포스팅)
(3) 큐비트와 양자알고리즘