양자역학의 주요 개념 양대 산맥은 바로 '중첩과 얽힘'

오늘은 굉장히 신비롭고 흥미로운 양자의 세계에 대해서 이야기 해보려고 합니다! 

양자 세계에서는 사물이 일상에서 보는 것과 조금 다릅니다.

가장 중요한 두 개념으로 알아본텐데, 바로 중첩과 얽힘입니다.

 

양자 중첩

양자 세계에서 가장 중요한 개념 중 하나는 "중첩"입니다. 중첩은 입자나 파동과 같은 두 가지 양자가 유사성을 가질 때 발생합니다. 이런 일이 발생하면 정말 멋진 방식으로 서로 상호 작용할 수 있습니다. 예를 들어 보겠습니다. 두 개의 훌라후프가 있다고 상상해보십시오. 하나는 크고 하나는 작습니다. 작은 후프를 큰 후프 안에 넣으려고 하면 잘 안 맞아요.

하지만 작은 후프를 옆으로 돌리면 큰 후프 안에 훨씬 더 쉽게 들어갈 수 있습니다! 그것은 양자 세계의 중첩과 비슷합니다.

두 가지가 특정 방식으로 유사할 때 서로 더 잘 "맞춰질" 수 있습니다. 

 

고전 물리학에서 입자는 한 번에 한 곳에만 있을 수 있습니다. 그러나 양자역학에서는 입자가 동시에 여러 곳에 있을 수 있습니다. 입자가 중첩되면 동시에 여러 상태로 존재하며 측정하기 전에는 어떤 상태에 있는지 알 수 없습니다. 예를 들어 전자와 같은 양자 입자가 위 또는 아래의 두 가지 다른 상태로 존재할 수 있다고 상상해 보십시오.

 

고전 물리학에서 전자는 위 또는 아래에 있지만 양자 역학에서는 전자가 동시에 위 또는 아래에 있을 수 있습니다. 이것은 우리가 전자를 측정할 때까지 두 상태의 중첩 상태에 있음을 의미합니다.

 

슈뢰딩거의 고양이 실험

중첩의 또 다른 예는 슈뢰딩거의 고양이입니다. 이 사고 실험에서 고양이는 부패할 확률이 50%이고 고양이를 죽일 독을 방출하는 방사성 소스가 있는 상자에 고양이를 넣습니다. 우리가 상자를 열어 안을 들여다보기 전까지 고양이는 살아 있는 동시에 죽어 있는 중첩 상태에 있습니다. 

이 슈뢰딩거의 고양이는 물리학에서 가장 유명한 사고 실험 중 하나죠. 이 실험은 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자 역학의 역설을 설명하기 위해 제안한 것입니다. 간단한 용어로 설명하겠습니다. 상자가 있고 상자 안에 고양이가 있다고 상상해보십시오. 고양이와 함께, 방출될 수도 있고 그렇지 않을 수도 있는 독약병이 있습니다. 독의 방출은 방사성 원자의 붕괴와 같은 양자 이벤트에 의해 결정됩니다. 원자가 붕괴하면 독이 방출되고 고양이는 죽습니다. 원자가 붕괴하지 않으면 독이 유리병에 남고 고양이는 살 것입니다.

 

이제 양자역학에 따르면 원자의 상태를 관찰하기 위해 상자를 열 때까지 원자는 붕괴된 상태와 붕괴되지 않은 상태의 중첩 상태에 있습니다. 이것은 우리가 상자를 열고 원자의 상태를 관찰할 때까지 고양이도 살아있는 상태와 죽은 상태의 중첩 상태에 있음을 의미합니다. 그래서, 이 사고 실험에서, 우리는 역설을 가지고 있습니다. 양자 역학에 따르면 고양이는 우리가 관찰하기 전까지 살아 있는 동시에 죽은 상태입니다.

 

그러나 우리의 일상적인 경험에서 우리는 고양이가 살아 있거나 죽었을 뿐일 수 있다는 것을 알고 있습니다. 둘 다일 수는 없습니다. 슈뢰딩거의 고양이 실험은 양자 역학을 고양이와 같은 거시적 물체에 적용하는 것이 부조리함을 보여주기 위해 제안되었습니다. 양자 역학의 원리가 세상의 일상 경험과 항상 일치하지는 않는다는 사실을 상기시켜 줍니다. 그러나이 실험은 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태에 의존하는 얽힘의 아이디어를 설명하는 데에도 사용되었습니다. 이 경우 고양이의 상태는 원자의 상태에 따라 달라지며 서로 "얽히게" 됩니다. 따라서 슈뢰딩거의 고양이 실험은 이상하고 가능성이 희박한 시나리오처럼 보일 수 있지만 중첩 및 얽힘을 포함하여 양자 역학의 핵심 개념 중 일부를 설명하는 데 도움이 되었습니다. 

양자 얽힘

양자 세계에서 일어날 수 있는 또 다른 멋진 일은 "얽힘"입니다. 이것은 두 개의 양자가 매우 유사하여 매우 멀리 떨어져 있어도 서로 연결되는 경우입니다. 마치 멀리 떨어져 있는 두 가지를 함께 연결하는 마법의 끈이 있는 것과 같습니다! 얽힘의 예를 들어 보겠습니다. 두 개의 양말이 있다고 상상해보십시오. 한 양말은 주머니에 넣고 친구는 다른 양말을 주머니에 넣습니다.

 

그런 다음 당신과 당신의 친구는 놀이터의 반대편 끝으로 이동합니다. 멀리 떨어져 있어도 양말은 한 켤레이기 때문에 연결되어 있고 한 쪽 양말을 움직이거나 변형을 주면 나머지 멀리 떨어진 양말 한 켤레도 이에 대응하는 변화와 반응을 보여주게 됩니다. 실제로 양말에서 일어나는 일은 아니지만 이와 비슷한 현상이 전자 단위에서는 일어납니다. 물론 우리 눈에 보이지는 않습니다. 즉, 두 전자가 아주 멀리 떨어져 있어도 특별한 방식으로 연결 되어 있는 것이 바로 얽힘 현상 입니다.

 

두 입자가 얽혀 있을 때 한 입자에 대한 모든 변경 사항은 서로 얼마나 멀리 떨어져 있든 간에 다른 입자에 즉시 영향을 미칩니다.

예를 들어 얽힌 두 입자 A와 B를 상상해 보십시오. 입자 A를 측정하고 특정 상태에 있는 것을 찾으면 입자 B는 자동으로 반대 상태가 됩니다. 입자 B가 우주 반대편에 있는 경우에도 마찬가지입니다.

양자 순간이동

얽힘의 또 다른 예는 양자 순간이동입니다. 이 과정에서 한 입자의 양자 상태는 멀리 떨어져 있어도 다른 입자로 전달됩니다. 이 프로세스는 작업에 대한 얽힘에 의존하며 통신 및 컴퓨팅에 혁명을 일으킬 가능성이 있습니다. 이상하고 직관적이지 않은 현상이지만, 수많은 실험을 통해 사실임이 입증되었습니다. 이러한 개념은 우주에 대한 우리의 이해를 혁신할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며 현재 상상할 수 없는 새로운 기술로 이어질 수 있습니다. 

 

요약

양자 세계에서 중첩과 얽힘은 사물이 정말 흥미롭고 신비한 방식으로 작동하도록 돕는 두 가지 중요한 개념입니다!  얽힌 전자는 두 전자 사이의 거리에 관계 없이 한 전자의 상태가 다른 이자의 상태에 영향을 줄 수 있는 방식으로 연결됩니다. 중첩은 입자가 한 번에 여러 상태로 존재할 수 있는 능력을 나타내는 양자 역학의 또 다른 핵심 원리입니다. 즉, 입자는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있습니다. 

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