양자컴퓨터 쉬운 이해 (1) 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학

이번 포스팅에서는 “양자컴퓨터의 쉬운 이해” 시리즈의 첫번째 글로 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학에 대해서 정리해보려고 합니다.

참고로 양자컴퓨터의 기본 개념을 위한 글로 아래 3가지 글로 구성하였습니다.

(1) 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학 (이번 포스팅)
(2) 양자중첩과 양자얽힘
(3) 큐비트와 양자알고리즘

양자컴퓨터의 기본이 되는 양자역학은 전통적이고 고전적인 역학과 기본적인 인간의 생각으로는 이해가 쉽지 않습니다.

일단 실존은 한다고 하는 현상을 이론화한 것이라 양자역학을 통해 얻은 결과를 어떻게 표현은 하려고 하는데 인간의 언어는 상식적인 것을 표현하는 데 맞추어져 있어서, 양자역학의 내용을 표현이 쉽지 않습니다.

그래서 위대한 과학자 중 리처드 파인만은 양자역학에 대해서 아래와 같이 언급하기도 했습니다.

I think I can safely say that nobody understands Quantum Mechanics.
양자역학을 완벽히 이해한 사람은 아무도 없다고 자신있게 말할 수 있습니다.

(Richard Feynman (리처드 파인만))

이번 포스팅에서는 우선 양자컴퓨터의 기본 정의에 대해서 알아보고, 양자와 양자역학의 개념과 양자 컴퓨터의 기본이 되는 “이중슬릿 실험”에 대해서 정리해보려고 합니다.


양자컴퓨터란

양자컴퓨터(quantum computer)란 양자역학의 양자얽힘(entanglement)이나 양자중첩(superposition) 현상을 활용해서 데이터를 처리하는 기계입니다. 이러한 방법을 양자컴퓨팅이라고 합니다. (양자중첩과 양자얽힘에 대해서는 다음 글에서 상세하게 정리할 예정입니다.)

이중슬릿 실험
순다 피차이 (Sundar Pichai) 구글 CEO와 구글이 개발한 양자컴퓨터

양자컴퓨터는 전통적인 컴퓨터와 구조가 다르고 기본이 되는 양자역학 또한 상식적으로 알고 있는 내용과 달라서 이해하기가 매우 어려운 경우가 많습니다.

단순히 “현존하는 슈퍼 컴퓨터가 수백년 걸리는 문제도 단 몇 초 내에 빠르게 풀 수 있다” 정도로만 알려진 양자컴퓨터는 많은 오해들이 퍼져있는데요,

기본적인 양자역학의 이해와 양자얽힘, 양자중첩에 대한 기본 지식이 있어야 이러한 양자컴퓨터 동작 원리에 대한 이해가 가능합니다.

참고로 Nature에서 양자 컴퓨터에 대해 잘 정리된 글이 있습니다.


양자와 양자역학

양자(量子)는 더이상 나눌 수 없는 에너지의 최소량의 단위를 의미합니다. 물리학에 있어서 상호작용이 가능한 물리적 독립체의 최소의 단위입니다.

육안으로는 절대 형태를 볼 수 없을 만큼 미세한 입자들의 성질을 밝혀내는 역학, 즉 아주아주 작은 것들을 연구하는 학문이 양자역학 입니다.

양자는 다음 글에서 자세히 설명할 예정이지만 중첩성과 얽힘이라는 특징이 존재합니다.

중첩성은 0과 1이란 데이터가 동시에 존재하고 측정하기 전까지 정확한 양자 상태를 알 수 없다는 특징이고, 얽힘은 둘 이상의 입자가 얽혀 있어서 원격으로 떨어진 한 입자의 상태 변화가 동시에 먼 곳에 있는 다른 입자에도 반영되는 특징을 의미합니다.

그 외에도 비가역성으로 이전 상태로 복원이 불가능한 특성이 존재합니다.

이중슬릿 실험

이중슬릿 실험 (Double-slit experiment)

양자역학의 가장 기본적인 토대가 되는 실험이 바로 이중슬릿 실험으로 양자역학에 있어서 실험 대상의 파동성과 입자성을 구분하는 실험이 있습니다.

실험 대상을 이중슬릿 실험 장치에 통과시키면 해당 실험 대상이 파동인지 입자인지에 따라 결과값이 달라집니다.

파동은 회절과 간섭의 성질이 있어 파동이 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭으로 인해 뒤편에 있는 스크린에 간섭 무늬가 나타나게 됩니다.

이중슬릿 실험

반면에 입자는 이러한 특징이 없으므로 두개의 틈으로 지나간 입자들이 그대로 두개의 띠 무늬를 만들게 됩니다.

이중슬릿 실험

1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머는 니켈 결정을 향해 전자빔을 발사하는 실험을 하였는데요,

전자를 가지고 이중 슬릿 실험을 해보았습니다.

즉, 원자의 구성 요소 중 하나인 전자는, 이전 연구 결과에 따르면 질량을 가지는 명백한 입자였습니다. 그렇기에 당연히 공과 같은 입자를 던졌을 때 나타났던 두개의 띠 무늬가 나올 것으로 예상했습니다. 그러나 놀랍게도 전자를 이중 슬릿에 통과시키자 파동을 통과시켰을 때 생겼었던 간섭 무늬가 나타났습니다.

입자가 전자를 대체 어떻게 슬릿을 통과하기 때문에 간섭 무늬가 생겼는지 알고 싶었던 과학자들은 슬릿 앞에 관측 장치를 설치하고 같은 실험을 진행했는데요, 이번에는 원래대로 두개의 띠 모양의 무늬가 나타났습니다.

즉, 관측을 시작하니 파동같은 성질을 보이던 전자가 관측 당하고 있다는 사실을 눈치챈 것처럼 다시 입자처럼 행동하기 시작한 것 입니다.

실험에 오류가 있는 건 아닌지 거듭해서 실험을 진행했지만 같은 결과가 나타났고 심지어 전자 뿐 아니라 광자 등의 다른 아원자 입자에서도 같은 현상이 나타났습니다.

이중슬릿 실험
마치 이 현상을 “무궁화 꽃이 피었습니다.”에 비유할 수 있습니다.

결국 이러한 결과로 현실을 해석하는 새로운 이론이 도입되게 됩니다. 이것을 설명하기 위한 새로운 이론들이 모여 양자역학이 생기게 되었습니다.


파동-입자 이중성, 코펜하겐 해석

전자를 비롯한 양자 물질들은 어떨 때는 입자처럼 행동하다가 어떨 때는 파동처럼 행동합니다.

이러한 신기한 양자역학 세계를 해석하는 다양한 방식이 제안되었고 그 중에서 가장 널리 받아들여지는 것이 바로 “코펜하겐 해석” 입니다.

닐스보어와 베르너 하이젠베르크 등에 의한 정통해석으로 논의의 장소였던 코펜하겐의 지명으로 부터 이름이 붙여졌습니다.

이번 포스팅에서는 양자컴퓨터의 기본 정의에 대해서 알아보고, 양자와 양자역학의 개념과 양자 컴퓨터의 기본이 되는 “이중슬릿 실험”에 대해서 정리해보았습니다. 다음 포스팅에서는 이러한 양자역학의 특징인 양자중첩과 양자얽힘에 대해 좀 더 자세히 알아볼 예정입니다.


참고로 양자컴퓨터의 기본 개념을 위한 글로 아래 3가지 글로 구성하였습니다.

(1) 이중슬릿 실험과 양자, 양자역학 (이번 포스팅)
(2) 양자중첩과 양자얽힘
(3) 큐비트와 양자알고리즘

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