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결맞음
양자역학에서의 “결맞음”은 물리적 시스템의 상태가 서로 구별되는 특정한 상태로 결정되지 않고, 여러 상태의 혼합 상태일 때를 나타냅니다. 양자역학에서는 이 혼합된 상태를 “결맞음 상태” 또는 “중첩 상태”라고 부릅니다.
양자역학에서의 결맞음은 다양한 상태의 양자 시스템이 동시에 존재할 수 있다는 개념을 나타냅니다. 이는 전통적인 물리학에서의 개념과는 다르게 행동하며, 양자역학에서의 특이한 현상 중 하나입니다.
양자역학에서의 결맞음은 다음과 같은 특징을 가집니다:
- 상태 결정의 불확정성: 양자역학에서는 어떤 양자 시스템이 특정한 상태에 있을 때, 정확한 위치나 운동량과 같은 물리적 특성을 동시에 정확하게 결정할 수 없습니다. 대신, 이러한 특성들은 확률적으로 결정됩니다.
- 중첩 상태: 양자역학에서는 양자 시스템이 특정한 상태에 있을 때, 다른 상태에도 동시에 존재할 수 있습니다. 이러한 상태의 혼합을 중첩 상태라고 하며, 양자 비트의 개념에서는 “양자 중첩”이라고도 합니다.
결맞음의 개념은 양자역학의 중요한 특징 중 하나이며, 양자컴퓨팅, 양자 통신 등의 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 현상은 전통적인 물리학에서는 이해하기 어려운 부분 중 하나이지만, 현대 물리학의 중요한 이론 중 하나입니다.
- 양자 상태 표현:
- 양자역학에서는 시스템의 상태를 표현할 때 파동 함수(wave function)를 사용합니다. 파동 함수는 어떤 양자 시스템이 특정 상태에 있을 확률을 나타내는 수학적인 개념입니다.
- 양자 중첩:
- 양자 상태는 일반적으로 다양한 기본 상태의 선형 조합으로 나타낼 수 있습니다. 이것이 양자 중첩입니다. 양자 중첩은 양자 비트의 경우 0과 1의 중첩 상태로 설명됩니다. 이것은 양자컴퓨팅에서 동시에 여러 계산을 수행하는 데 활용됩니다.
- 측정과 상태 붕괴:
- 양자 시스템의 상태를 측정할 때, 해당 시점에서 시스템은 특정한 기본 상태 중 하나로 붕괴됩니다. 이 측정 결과는 확률적으로 결정되지만, 측정 이전까지는 여러 상태가 중첩되어 있을 수 있습니다.
- 양자간 상호작용:
- 양자 상태는 양자간 상호작용에 의해 결정됩니다. 양자역학에서는 상호작용하는 물체들 간의 파동 함수의 곱으로 표현됩니다.
- 양자 얽힘(Entanglement):
- 양자 얽힘은 두 양자 시스템 간에 특별한 상태가 형성되어 있을 때, 한 양자의 상태가 변경될 때 다른 양자의 상태도 동시에 변경되는 현상을 나타냅니다.
양자역학의 결맞음은 전통적인 물리학과는 다른 독특한 특성을 가지고 있어 많은 도전적인 측면을 내포하고 있습니다. 이러한 특성은 양자컴퓨팅, 양자 통신, 양자 암호 등의 현대 양자 기술과 응용에서 핵심적인 개념으로 작용하고 있습니다.
즉 결맞음이란?
결맞음에서 ‘확률적’이라는 것은 입자의 위치나 운동량이 결정되지 않고 대신 확률적인 분포로 표현된다는 의미입니다. 거시세계에서는 고양이가 확실하게 어떤 위치에 어떤 속도로 존재하고 있는것 같아보이지만 양자 세계에서는 존재하면서도 존재하지 않는, 확률적인 상태로 존재하는 것입니다. 그것이 불투명하다거나 한 것은 아닙니다. 확률적이라는 것은 양자 시스템의 특정한 상태가 발생할 확률을 의미합니다. 예를 들어 특정한 양자 상태를 측정할때, 그 양자 상태가 나타날 확률은 양자 상태의 파동 함수(amplitude)의 제곱으로 표현됩니다. 이는 특정한 결과가 예측되지만 정확한 결과를 예측하기는 불가능하다는 양자역학의 특성을 반영합니다.
결 어긋남
양자 역학에서의 “Decoherence(어긋남)”는 양자 시스템이 외부 환경과 상호 작용함에 따라 양자 상태의 중첩이 사라지고, 양자적 특성이 감소하는 현상을 나타냅니다. 어긋남은 주로 양자 계의 불확실성을 외부 환경과의 상호 작용으로부터 발생하는 현상 중 하나입니다.
양자 시스템은 상태의 중첩이나 양자 얽힘과 같은 특별한 양자적 특성을 나타낼 수 있습니다. 그러나 외부 요인과의 상호 작용으로 인해, 양자 시스템의 상태가 외부에 정보를 유출하거나 불안정해지면서 이러한 양자적 현상이 사라집니다. 이런 양자적 특성의 손실을 Decoherence라고 합니다.
Decoherence는 양자 계의 안정성과 양자 정보 처리의 문제를 일으킬 수 있습니다. 특히, 양자 컴퓨팅이나 양자 통신과 같은 응용 분야에서는 이러한 양자적 특성의 보존이 중요하다는 것이 인식되고 있습니다. 따라서 양자 시스템을 외부 환경으로부터 보호하고 어긋남을 최소화하는 연구가 진행되고 있습니다.
양자 어긋남은 양자 시스템이 현실 환경과 상호 작용할 때 발생하는 현상으로, 양자 기술의 응용을 더욱 안정적이고 효과적으로 만들기 위한 연구가 계속 진행 중입니다.
이중슬릿 실험에서 decoherence가 일어나면 관측되는 패턴에 영향을 미칩니다. 이중슬릿 실험은 양자 역학의 파동-입자 이중성을 확인하는데 사용되는 실험으로, 입자(전자, 광자 등)가 두 개의 슬릿을 통과할 때 파동의 성질로 인해 관측되는 간격된 패턴을 만들어냅니다.
Decoherence가 발생하면 양자 시스템의 양자적 특성이 외부 환경과 상호 작용으로 인해 상실되므로, 관측된 패턴이 양자적인 간섭 패턴에서 더 전통적인 입자적인 패턴으로 변할 수 있습니다. 양자적 간섭이 일어나는 동안에는 확률적으로 입자가 두 슬릿을 통과하고 간섭패턴이 관측되는 반면, decoherence가 일어나면 각 입자의 상태가 더 이상 간섭을 일으키지 않고 두 슬릿 중 하나를 통과한 것처럼 나타날 수 있습니다.
결과적으로 decoherence가 일어난 경우, 이중슬릿 실험에서 기대되는 간섭 패턴이 사라지고 간격이 있는 두 슬릿에서 나오는 입자의 분포가 관측될 것입니다. 이는 양자적 특성이 상실되어 전통적인 입자적 특성이 더 강조된 결과를 의미합니다.
이중 슬릿 실험
이중 슬릿 실험에서 파동의 상쇄, 보강 형태를 만드는 원인은 파동들의 규칙적인 결맞음이다. 슬릿들에서 나오는 파동들 사이의 결맞음이 깨지고 흐트러진 상태가 되어 간섭무늬가 나타나지 않게 된 상태가 결어긋남이다.
안톤 차일링거(Anton Zeilinger)의 풀러렌 연구는 결 어긋남 개념과 관련된 실험적 검증과 연관된다. 이 실험은 여러가지를 시사하는데, 고전적인 관측자 없이 계의 상호작용만으로 양자역학에서의 중첩 상태에서의 미시 – 거시 전환이 발생한다는 것을 검증했으며, 또한 그 전환이 어느 수준에서 발생하는지에 대해 정확하게 알아내지는 못했지만 진공 농도를 조절하는 방식으로 결맞음이 깨지는 순간을 어느 정도 볼 수 있었다. 게다가 풀러렌은 충분히 거시적인 것으로 여겨지는 분자였음에도 불구하고 중첩이 가능한 것을 보임으로써 미시계와 거시계의 경계에 대해서도 실험이 가능하다는 것을 보이기도 했다.
결어긋남 연구는 양자역학의 해석 관련 연구가 발전하는 주요한 전기를 마련했고, 여러 해석들 각각마다 이론적 발전을 이루는 계기가 되었다. 이를테면 다세계 해석의 경우 결어긋남은 곧 ‘세계의 분리’를 정의하는 방식을 제공하였으며, 코펜하겐 해석의 경우 거시계와 미시계 사이의 ‘간극’을 이해하는데 더 큰 도움이 되었다. 이처럼 결어긋남 관련 연구는 어느 한 해석을 결정적으로 지지한다기보다는, 공통의 발전을 이루는 하나의 계기가 되었다.