La 양자 중첩 점점 더 많이 들리는 개념입니다. 이러한 자연의 특성은 양자 컴퓨터, 양자 순간이동, 양자 인터넷의 씨앗으로 활용되고 있습니다. 하지만 양자중첩에 대해 잘 모르는 사람들이 많아 중국어처럼 들립니다.
이 글에서는 양자 중첩이 무엇인지, 그 특성과 중요성에 대해 설명하겠습니다.
양자중첩이란 무엇인가
양자중첩은 양자역학의 기본원리이다. 이는 가능한 모든 이론적 상태에서 전자와 같은 물리적 시스템의 동시 존재를 표현합니다. 관찰되면 이러한 구성 중 하나로만 "축소"될 수 있습니다. 이 "동결"은 무작위이지만 확률의 법칙에 기초합니다.
양자 중첩을 최소한 단순화된 방식으로 이해하는 한 가지 방법은 입자가 동시에 두 가지 여기 상태에 있을 수 있지만 일단 관찰하면 그 중 하나만 드러날 수 있다고 생각하는 것입니다. 따라서 중첩은 양자 컴퓨팅에서 널리 사용됩니다. "큐비트" 또는 큐비트는 0과 1의 값을 모두 가질 수 있습니다. 비트와 달리 비트는 0 또는 1이어야 합니다.
이러한 양자 중첩 상태는 1924년에 전자가 입자가 아니라 파동이라고 제안한 프랑스 공작 루이 드 브로이(Louis de Broglie)의 이론적 제안의 결과입니다. 즉, 전자는 고전적인 상호작용(예: 당구공 간의 충돌)이 있는 물질의 "공"이 아니라 공간을 이동하는 파동입니다. 이것은 진짜입니다.
전자의 양자 중첩
전자를 "공"으로 상상하면 전자와 전자의 합은 전자가 공처럼 쌓여 있다고 상상하기 때문에 물질이 어떻게 행동하는지에 대한 잘못된 아이디어를 제공합니다. 일부는 위에 있고 일부는 아래에 있으며 일부는 측면에 있습니다. 그러나 물질은 양자 수준에서는 그런 식으로 작동하지 않고 거시적 수준에서만 작동합니다. 그건 우리 것입니다.
양자 중첩 현상은 다음과 같이 이해하기 쉽습니다. 물질이 파도처럼 행동한다는 견해. 물질과 달리 파동은 겹칠 수 있습니다. 양자 수준에서 물질은 파동처럼 행동하며 흥미로운 일이 발생합니다. 물질은 서로 "추가"될 수 있습니다.
자연에서도 흥미로운 비유를 볼 수 있습니다. 다음 이미지는 물 표면에 물방울이 남긴 잔물결을 보여줍니다. 표면을 따라 전파되는 원형파입니다. 호수에 돌을 던져본 사람이라면 누구나 이 사실을 알 것이다. 원칙적으로 각 파동은 독립적입니다.
그러나 파동 중첩은 두 파동이 일치할 때마다 발생합니다. 즉, 크기를 더하거나 뺍니다. 두 능선이 만나면 물이 아주 높이 솟아오른다. 두 개의 계곡이 있는 곳에는 함몰이 보입니다. 봉우리와 계곡이 일치하면 파도의 합이 상쇄됩니다.
파동과 양자 중첩
전자가 공간을 통해 이동하는 파동이라면 그 파동은 물에 나타나는 것과 유사한 일을 할 수 있습니다. 이 현상은 훨씬 더 복잡하지만 이를 단순화하는 방법이 있습니다. 그러나 많은 사람들이 걱정하는 질문은 전자가 어디에 있습니까?
양자역학의 법칙에 따르면, 입자가 관찰될 때까지 양자 중첩이 발생할 수 있습니다. 그런 다음 파동 함수(입자가 하나의 상태 또는 다른 상태를 가질 확률을 설명하는 함수, 즉 입자 시스템을 나타내는 방법)가 붕괴되거나 보다 구체적인 파동 함수로 정의됩니다.
완전히 정확하지는 않지만 다음과 같은 비유를 사용할 수 있습니다. 어두운 방에 헬륨 풍선이 떠 있다. 첫 번째, 풍선을 한쪽에서 다른 쪽으로 이동시키는 매우 복잡한 공기 흐름이 있기 때문에 풍선이 어디에 있는지 정확히 아는 것은 불가능합니다. 풍선이 한 장소 또는 다른 장소에 있을 확률을 판단하는 것이 가능합니다. 이것이 파동함수입니다.
지금 어디에 있는지 어떻게 알 수 있나요? 파동함수를 "붕괴"시키는 방법은 무엇입니까? 할 수 있는 실험은 다트를 던지는 것입니다. 다트가 풍선이 없는 곳으로 가면 아무런 소리도 들리지 않습니다. 그러나 다트가 풍선을 통과하면 폭발음이 들립니다. 결론은 다음과 같습니다 풍선은 다트의 명중 여부에 관계없이 위치를 결정합니다. 즉, 물리적인 의미에서 '붕괴'되어 어디에 있는지 드러날 것입니다.
완벽한 비유는 아니지만, 풍선 예는 전자가 공간의 특정 영역에 동시에 어떻게 분포될 수 있는지, 그리고 그것을 볼 때만 그것이 무엇인지 알 수 있는 방법을 이해하는 데 도움이 됩니다.
오늘의 유틸리티
이 속성이 그토록 흥미로운 이유는 양자 컴퓨터를 구축하는 데 사용될 수 있기 때문입니다. 2016년에 한 연구팀은 중첩 상태를 포함한 물질의 양자 특성을 활용하여 정보의 장거리 전송을 가능하게 했습니다.
2017에서, 다른 팀은 연결된 두 노드 사이에서 양자 상태를 성공적으로 순간 이동했습니다. 2022년에 연구자 그룹은 앨리스, 밥, 찰리의 노드가 하나씩 연결되어 있다는 사실 덕분에 연결이 끊긴 두 노드 사이에서 양자 상태를 순간이동하는 데 성공했습니다. 이러한 실험을 통해 보다 안정적인 인터넷 구축이 가능합니다.
현재 과학자들은 이 특성을 활용하여 기존 컴퓨터로는 해결하기 매우 어렵거나 심지어 불가능한 문제를 해결하는 방법을 모색하고 있습니다. 양자 컴퓨터에서는 클래식 비트(0 또는 1)가 큐비트로 대체됩니다. 겹쳐질 수 있습니다. 이는 동시에 0과 1을 나타낼 수 있음을 의미합니다.. 이를 통해 양자 컴퓨터는 여러 솔루션을 동시에 탐색할 수 있어 암호화, 재료 시뮬레이션 및 최적화와 같은 영역의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 엄청난 잠재력을 갖게 됩니다.
또 다른 흥미로운 응용 분야는 보안 양자 통신입니다. 양자 중첩의 특성으로 인해 전송된 정보를 방해하려는 모든 시도가 즉시 감지되며, 이는 사실상 뚫을 수 없는 통신 시스템으로 이어질 수 있으며 정보의 프라이버시를 보장할 수 있습니다.
이 정보를 통해 양자 중첩과 그 특성 및 유용성에 대해 더 많이 배울 수 있기를 바랍니다.