양자역학이란..

양자역학이란..

 

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<개요>

우리가 '과학적'이라고 말하는 것은 주로 고전 물리학에 근거를 두고 있다.
'과학적'이라는 말은 합리적인 인과관계를 말할 때 주로 쓰이며, 같은 입력 조건에는 항상 동일한 답이 나온다는 뜻이다.
원인은 필연적으로 그에 대응하는 결과를 가져오기에, 조건으로부터 결론을 예측할 수 있고, 그 반복도 반드시 동일한 결과를 재현하게 되는 것이다.
이것이 바로 고전적인 과학의 '결정론'과 '재현 가능성'이다.

지구 상에서나 우주와 같은 거시 물리학적 환경은
이 '과학적' 원리 즉 결정론과 재현 가능성의 지배를 받는다.
그런 가동 원리는 인류의 탄생 때부터 체험하고 있어, 거의 우리 유전자 차원으로 체화되어 있다.

이러한 과학적 체험이나 사고는 철학적으로,
모든 존재의 운명이 사주팔자에 따라 결정되어 있다는 숙명론이나 종교 분야에서의 예정론, 혹은 사필귀정과 같은 인과관계와 연관되게 된다.

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그런데 양자역학은 우리의 몸에 체화된 고전 물리학적 믿음을 근본적으로 부정한다.
우리가 신봉하는 '과학적'이라는 말의 정의를 완전히 뒤집어버린 것이다.

양자역학은 우주의 구성하는 가장 작은 요소인 전자와 광자와 같은 미시 물리학적 거동을 다룬다.
이들 입자는 통상의 고체 구슬처럼 작동하지 않고, 고전물리학으로는 도저히 설명할 수 없는 기이한 방식으로 작동한다.
그것은 어떤 땐 입자로서의 거동을 보이다가 어떤 때는 파동처럼 작용하여 공간으로 퍼져나간다.
이러한 이중 행동을 파동-입자 이중성이라 한다. 
이런 이중성으로 인해 여러 가지 기이한 현상을 나타내는 것이다.
그 불가사의한 작동 방식이 아인슈타인과 같은 위대한 물리학자들을 번민에 빠트렸다.

그러한 미시적 물질의 기이한 현상들을 설명하기 위해,
양자역학은 고전 물리학에서 도저히 용납될 수 없는 개념들을 도입하였다.
그것은 바로 물질들에서 일어나는 '확률', '중첩', '얽힘', '관찰자 효과' 등이다.
이들 개념은 인간의 직관적인 인식의 범위를 벗어났기에, 통념에 갖힌 이해 능력으로는 적잖은 어려움이 있다.
이에 대해 알아보자.

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<양자역학의 특징적 개념들>

- 확률적 성격 :
양자 세계에서는 입자가 어디에 있는지, 무엇을 하는지 정확히 말하지 못한다.
다만 확률로서만 이야기할 수 있을 뿐이다.
예를 들어, 주사위를 굴릴 때 주사위가 멈출 때까지 그 결과를 알 수 없듯이, 양자역학도 주사위를 굴리는 것과 같다. 
주사위는 직접 볼 수 있을 때까지 모든 곳에 동시에 확률적으로 존재한다. 

- 관찰자 효과 :
이 개념은 많은 사람들을 혼란스럽게 하였다.
양자 입자를 관찰자가 지켜보는 것만으로도 그 거동이 바뀔 수 있다는 말이다.
마치 쿠키를 몰래 숨기고 있는 아이를 잡는 것과 같다. 지켜보면 아이들은 멈춰 선다.
유명한 이중 슬릿 실험과 같은 실험에서 입자는 관찰 여부에 따라 다르게 행동하였다.

- 양자 얽힘(Quantum Entanglement):
이 개념도 '관찰자 효과' 만큼이나 사람들의 이해를 곤란하게 만들었다.
일부 입자들은 얽힘이라는 연결을 형성하는데, 두 개의 입자가 얽힌 관계에 있는 경우, 하나를 변경하면 즉시 다른 입자에 영향을 미친다는 것이다. 두 입자 간의 거리가 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 이런 현상이 일어난다.

아인슈타인은 이것을 "원거리에서의 으스스한 행동(spooky action at a distance)"이라고 불렀으며 이는 양자 컴퓨팅 기술의 기초가 되었다.
소설 '삼체'에서 삼체인들은 이 원리를 이용한 양성자 컴퓨터를 이용하여 4광년 떨어진 지구의 상황을 실시간 모니터링할 수 있었다.

- 중첩( Superposition) :
양자 입자는 관찰될 때까지 동시에 여러 상태로 존재할 수 있다는 말이다.
동전을 던지는 것을 상상해 보라. 최종적으로 멈추어 확인하기까지는 앞면과 뒷면이 동시에 존재한다. 이 원리는 "큐비트"를 사용하여 방대한 양의 정보를 동시에 처리하는 양자 컴퓨터의 기초가 되었다.

- 하이젠베르크의 불확정성 원리(Heisenberg’s Uncertainty Principle):
입자에 대해 우리가 알 수 있는 것은 한계가 있다. 어느 하나를 알면 다른 것이 불확실하게 된다는 것이다.
위치를 정확하게 알면 속도(운동량)가 불확실해지고 그 반대도 마찬가지다.
예를 들어 확장과 수축이 가능한 자동차가 예측할 수 없이 부단히 돌아다닐 때 그 자동차의 정확한 위치와 속도를 측정하려는 것과 같다.

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<양자역학과 철학>

양자역학의 원리는 철학적인 관점에서도 인식의 변화를 요구하고 있고,
불교의 연기론(緣起論), '공(空)'의 개념뿐만 아니라 만물 유전론 등의 철학적 개념을 설명하는 데에도 많이 원용되고 있다.

고전물리학에 맞닿아 있던 결정론, 숙명론, 예정론, 사필귀정과 같은 사고의 틀은, 
양자역학적 관점에서는 불가피하게 무너질 수밖에 없다.

양자역학에서의 현실은 확률적이기에, 이 세상의 현실은 상당 부분 불확실성과 무작위성의 지배를 받는다. 그리고  양자적 존재(예: 전자와 광자)는 입자와 파동의 성격을 모두 가지며, 어떤 땐 각 특성이 따로 나타나다가 어떤 땐 동시에 나타나기도 한다("both/and"). 거기다 하이젠베르크의 불확정성의 원리에 따라 입자의 위치와 운동량을 동시에 정확히 아는 것은 불가능하기 때문에, 엄연히 존재하는 현실 혹은 진실이라 하더라도 인간은 그것을 정확히 측정하고 설명할 수 없다.
그래서 우주의 모든 현상은 시계 장치처럼 물리학 법칙에 의해 기계적으로 일어난다고 여기는 소위 '시계 장치 우주(clockwork universe)'를 믿어왔으나, 이 세상은 이제 더 이상 시계 장치처럼 예측 가능하게 돌아가지 않을 수도 있음을 알게 되었다. 

그래서 결정론과 재현 가능성에 기반을 둔 고전 물리학의 개념의 틀은 양자역학적 현실의 이중성, 중첩성, 무작위성, 불확정성으로 인해 그 한계를 명확히 드러났고, 인간이 특정하여 설명할 수 없는 이 세상의 영역이 존재한다는 것을 인정하지 않을 수 없게 되었다.

그리고 무엇보다 양자역학에서는 관찰자의 행위로 인해 관찰되는 시스템이 영향을 받는다.
관찰자와 관찰 대상이 불가피하게 깊이 얽혀 있고, 그로 인해 완전한 객관적인 현실이 존재하지 않을 수도 있다는 것이다. 고전물리학의 근간이 되는 과학의 객관성이 무너진 것이다. 

그리고 철학적으로 가장 관심이 큰 것은 '양자 얽힘(Quantum Entanglement)'이다. 
얽혀 있는 두 입자가 거리에 상관없이 서로 연결되어 상호 작용한다는 것은 고전 물리학이 도저히 설명할 수 없는 현상이다.
이는 우주의 물질들이 시간과 공간을 초월해 깊이 연결되어 있음을 시사하는 것이다. 붓다가 깨달은 연기론(緣起論)이 바로 이것을 설명하고 있다.

이것이 있기에 저것이 있고(此有故彼有), 이것이 생기기에 저것이 생긴다(此起故彼起).
이것이 없기에 저것이 없고(此無故彼無), 이것이 사라지기에 저것이 사라진다(此滅故彼滅) _ 잡아함(雜阿含)

게다가 양자역학에서 증명된 관찰자 효과, 부작위성, 불확정성, 양자 얽힘 등은 물리학적 세계의 객관성을 무너뜨리는 한편, 인간의 행동이나 자유 의지가 물리 현상을 포함한 세상의 존재나 변화에 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 나와 세상이 완전히 타자가 아닐 수 있기에, 나의 의지, 의식, 관심 혹은 행동이 현실을 변화시키거나 창조할 수도 있다는 가능성을 느끼며 우지의 신비로움을 더욱 깨닫게 된다.

에너지 준위에 따른 수소 원자 내 전자의 파동 함수들. 양자역학은 입자의 공간 위치를 정확히 예측하지 못하며, 단지 다양한 위치에서 입자가 발견될 확률만 예측 가능하다. 밝은 영역은 전자를 발견할 확률이상대적으로 위치를 나타낸다.

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< 이중슬릿 실험(영어: Double-slit experiment)>

"이중슬릿 실험(영어: Double-slit experiment)은 양자역학에서 실험 대상이 파동인지 입자인지를 구분하는 실험이다. 실험 대상을 이중슬릿 실험 장치에 통과 시키면 그것이 파동이냐 입자이냐에 따라 결과 값이 달라진다. 파동은 회절과 간섭의 성질을 가지고 있다. 따라서 파동이 양쪽 슬릿을 빠져나오게 되면 회절과 간섭이 작용하고 뒤쪽 스크린에 간섭무늬가 나타난다. 반면 입자는 이러한 특성이 없으므로 간섭무늬가 나타나지 않는다. 이 두 가지 상의 차이를 통해 실험 물질이 입자인지 파동인지를 구분한다.

이 실험이 최초로 행해진 것은 19세기 초 토머스 영이 광자를 대상으로 한 이중슬릿 실험이었다. 17세기의 뉴턴은 빛이 입자임을 주장하였고 이것은 오랫동안 정설로 여겨졌으나, 이 실험을 통해 간섭이 확인됨으로써 반증되었다. 

아인슈타인의 상대성이론이 발표되고 난 후 1927년 클린턴 데이비슨과 레스터 저머가 전자를 대상으로 이중슬릿 실험을 하여 입자성과 파동성이 동시에 나타날 수 있다는 것을 증명하였다. 이 실험 결과는 당시 입자와 파동을 서로 반대의 성질로 규정하며 양립할 수 없는 것으로 여겼던 물리학적 상식을 흔들어 놓았다. 이것을 설명할 수 있는 새로운 관념과 물리학적 해석이 불가피하였고 그것이 양자론의 탄생으로 결실을 맺는다. 이 역사적 사실들을 통해 이중슬릿 실험이 갖는 중요한 과학적 의미를 확인할 수 있다."

 

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<슈뢰딩거의 고양이>

 

[유머] 슈뢰딩거의 개. 관측자에 따라 앉은 것이기도 하고 선 것이기도 하다.

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<큐비트(Qubit)란?> _ 챗GPT

큐비트("양자 비트"의 약자)는 클래식 컴퓨팅의 비트와 유사하게 양자 컴퓨팅의 기본 정보 단위입니다. 그러나 큐비트는 양자 역학의 고유한 특성을 활용하기 때문에 훨씬 더 강력합니다. 간단한 설명은 다음과 같습니다.

1. Qubit이란 무엇입니까?
클래식 컴퓨팅에서 비트는 0 또는 1(켜기/끄기 스위치처럼)을 나타낼 수 있습니다. 그러나 큐비트는 0, 1 또는 두 상태의 조합으로 동시에 존재할 수 있습니다. 이 능력을 중첩이라고 하며, 이것이 큐비트를 매우 강력하게 만드는 이유입니다.

동전을 회전시키는 것을 상상해 보십시오. 회전하는 동안에는 앞면도 뒷면도 아니고 둘이 혼합된 것입니다. 마찬가지로 큐비트는 여러 가능성을 동시에 보유할 수 있습니다.

2. 중첩
클래식 비트: 1비트 = 0 또는 1.
큐비트: 1큐비트 = 0, 1 또는 둘 다의 가중치 조합(예: 0일 확률 70% 및 1일 확률 30%).
이는 큐비트가 한 번에 방대한 양의 정보를 처리할 수 있어 특정 작업에 대해 양자 컴퓨터가 기하급수적으로 빨라진다는 것을 의미합니다.

3. 얽힘(Entanglement)
큐비트는 얽힐 수도 있습니다. 즉, 큐비트가 아무리 멀리 떨어져 있더라도 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태와 연결된다는 의미입니다. 큐비트 하나를 변경하면 얽힌 파트너가 즉시 변경됩니다. 이러한 상호 연결성을 통해 양자 컴퓨터는 복잡한 시스템을 최적화하거나 암호화를 해제하는 등 기존 컴퓨터가 할 수 없는 방식으로 문제를 해결할 수 있습니다.

4. 양자 게이트
큐비트는 클래식 컴퓨팅의 논리 게이트와 비슷하지만 중첩 및 얽힘 원리에 따라 작동하도록 설계된 양자 게이트를 사용하여 조작됩니다. 이러한 게이트는 양자 알고리즘을 해결하는 데 도움이 되는 작업을 수행합니다.

5. 측정으로 인해 Qubit이 축소됨( Measurement Collapses a Qubit)
큐비트를 측정하면 중첩 상태에서 0 또는 1의 명확한 상태로 "붕괴"됩니다. 이러한 붕괴는 양자 컴퓨팅의 중요한 부분이지만 양자 정보를 보존하고 제어하는 ​​데 어려움을 겪기도 합니다.

6. 큐비트가 만들어지는 방법
Qubits are physically realized using various technologies, including:

• Superconducting Circuits: Tiny loops of superconducting material. 초전도 회로: 초전도 물질의 작은 고리입니다.
• Trapped Ions: Atoms trapped by electromagnetic fields. 갇힌 이온: 전자기장에 의해 갇혀진 원자.
• Photons: Particles of light manipulated in quantum states. 광자: 양자 상태에서 조작되는 빛의 입자입니다.
• Quantum Dots: Artificial atoms in a semiconductor. 양자점: 반도체의 인공 원자.

각 방법에는 장단점이 있으며, 연구자들은 큐비트를 안정적이고(오류 가능성이 낮음) 확장 가능하게 만들기 위해 노력하고 있습니다.

7. Why Are Qubits Important?

Qubits enable quantum parallelism, meaning quantum computers can process many possibilities simultaneously. This is why they’re suited for tasks like:

• Factoring large numbers (important for cryptography).
• Simulating molecular interactions for drug discovery.
• Optimizing large-scale problems (e.g., logistics, AI).

간단히 말해서, 큐비트는 양자 컴퓨팅 잠재력 뒤에 있는 "마법"으로, 기존 컴퓨터가 결코 풀 수 없는 문제를 해결할 수 있는 문을 열어줍니다. 큐비트가 물리적으로 어떻게 구축되거나 특정 알고리즘에서 사용되는지 알아보고 싶다면 알려주세요!

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<아인슈타인과 양자역학>

아인슈타인은 양자역학을 부정하지 않았지만, 그것이 우주의 근본적인 원리를 완전히 설명하지 못한다고 생각했다. 그는 자연의 질서와 법칙이 더 심오한 구조를 가지고 있다고 믿으며, 단순한 확률에 의해 결정되는 세상은 그의 직관과 맞지 않았던 것이다.

"양자역학은 분명 강력하다. 하지만 내 내면의 목소리는 '이건 아직 진짜 실체가 아니야'라고 말한다. 이 이론은 많은 것을 말하고 있지만, 우리를 '옛 존재'(신 또는 우주의 본질)의 비밀에 더 가까이 데려다주지는 못한다. 나는, 적어도 내게 있어서는, '신이 주사위 놀이를 하지 않는다'고 믿는다." _ 알베르트 아인슈타인

 

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<양자컴퓨터> 

* 양자 컴퓨터의 원리
양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터와 근본적으로 다르다. 기존 컴퓨터가 정보의 가장 작은 단위로 비트(0과 1)를 사용하는 반면, 양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 활용하는 "양자 비트(큐비트)"를 사용하기에, 중첩, 얽힘, 양자 간섭 등의 현상이 활용된다. 

그래서, 클래식 비트는 항상 0 또는 1이지만, 큐비트는 상태의 중첩이 가능하기에 0, 1 또는 0과 1의 조합이 동시에 존재할 수 있다.그리고 두 큐비트가 얽힘 상태에 있으면, 그들 사이의 물리적 거리에 관계없이 한 큐비트의 상태를 측정하면 다른 큐비트의 상태가 즉시 결정되기에, 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터에서는 불가능한 방식으로 정보를 처리하고 공유할 수 있게 된다.
고전적인 컴퓨팅에서는 AND, OR, NOT 등의 논리 게이트로 비트를 조작하지만, 양자 컴퓨팅에서의 양자 게이트는 '확률'과 '위상'을 변경하는 연산을 적용하여 큐비트를 조작한다.

다만, 양자 상태는 매우 취약하기 때문에 환경과의 상호 작용으로 인해 일관성을 잃어 오류가 발생할 가능성이 높다. 그래서 양자 컴퓨터는 안정적인 계산을 유지하기 위해 정교한 오류 수정 기술이 요구된다. 

 

** <양자 컴퓨터의 개발 상황> _ 챗GPT

양자 컴퓨터의 발전 현황

양자 컴퓨터는 최근 몇 년 동안 이론적 개념에서 실용적인 구현 단계로 빠르게 발전하고 있습니다. 큐비트 수와 오류율의 개선과 같은 분야에서 큰 진전을 이루고 있습니다. 다음은 현재 양자 컴퓨터의 발전 현황에 대한 요약입니다.

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최근 주요 이정표

1. 구글의 Willow 칩 (2024년 12월)
   • 구글은 Willow라는 양자 칩을 공개하여 매우 복잡한 수학 문제를 단 5분 만에 해결했습니다. 이는 기존 슈퍼컴퓨터가 약 10^24년(10 섹스틸리언 년)이 걸릴 것으로 추정되는 작업이었습니다.
   • 이 성과는 기존 컴퓨터로 해결할 수 없는 문제를 양자 기술이 해결할 수 있음을 보여줍니다.
     출처: The Times
2. IBM의 1121 큐비트 ‘Condor’ 프로세서 (2023년 12월)
   • IBM은 'Condor'라는 1,000 큐비트를 넘는 양자 프로세서를 발표했습니다.
   • 이는 양자 컴퓨팅 확장성을 위한 중요한 단계로, 복잡한 계산을 가능하게 하고 실질적인 응용으로 나아가는 발판이 되었습니다.
     출처: Wikipedia
3. Atom Computing의 1,180 큐비트 시스템 (2023년 10월)
   • Atom Computing은 1,225개의 원자 배열을 만들어 1,180개의 큐비트를 구현했다고 발표했습니다.
   • 큐비트 수를 늘리는 이러한 발전은 계산 능력을 강화하는 데 필수적입니다.
     출처: Wikipedia

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산업 투자 및 성장

1. 투자 증가
   • 2024년 11월 기준, 양자 컴퓨팅에 대한 투자금은 2023년의 두 배에 가까운 15억 달러를 기록했습니다.
   • 이러한 투자 증가는 기술의 가능성에 대한 신뢰를 반영하며 연구 및 개발 노력을 가속화합니다.
     출처: Network World
2. 상업적 활용
   • IBM과 같은 기업들은 Wells Fargo 및 E.ON과 협력하여 AI 기술 향상, 날씨 위험 관리 등 다양한 산업 분야에 양자 시스템과 서비스를 제공하고 있습니다.
   • 이러한 협력은 양자 컴퓨팅의 실질적인 응용 가능성을 보여줍니다.
     출처: Wall Street Journal

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기술적 과제 및 미래 전망

1. 오류 수정
   • 큐비트 오류와 같은 과제가 여전히 남아 있습니다.
   • 구글의 Willow 칩처럼 더 많은 큐비트를 활용해 오류를 줄이는 혁신은 더 안정적인 양자 시스템 구축에 필수적입니다.
     출처: The Times
2. 확장성과 실용성
   • 최근 발전이 고무적이긴 하지만, 양자 컴퓨터가 광범위하게 상업적으로 활용되기까지는 여전히 시간이 걸릴 것으로 예상됩니다.
   • 연구는 시스템 확장 및 오류율 개선에 중점을 두고 있습니다.
     출처: Barron’s

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결론

양자 컴퓨팅은 큐비트 개발, 오류 감소, 산업 투자 측면에서 빠르게 발전하고 있습니다. 2024년에 이루어진 성과들은 향후 몇 년간 양자 기술이 완전히 실현될 가능성을 보여주는 긍정적인 신호입니다.

참고 자료:

• The Times
• Barron’s
• Wall Street Journal