| - 슈뢰딩거의 고양이는 상자를 열어 상태를 확인하지 않는 한 살아 있는 동시에 죽어 있다. - 부분 측정에도 중첩(오버레이)가 남음 - 측정값이 얻는 정보가 많을수록 중첩 상태가 더 많이 교란, 이 교란 가역적이지 않다. - 눈치 채지 못하게 도청하는 것 작동하지 않아 |
슈뢰딩거의 고양이를 속이는 방법 가능할까
부분적인 정보 이득만 있는 양자 측정은 여전히 가역적이다.
되돌릴 수 있는 "도청":
일반적인 통념에 따르면 중첩의 양자 물리적 상태는 측정이 이루어지자 마자 붕괴된다. 이는 유명한 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험으로 명료하게 설명된다. 예를 들어 이 고양이의 상자를 조금만 열어 꼬리만 보면 어떻게 될까? 물리학자들은 이제 양자 실험에서 그러한 불완전한 측정의 결과를 조사했다.
중첩은 양자 세계의 전형적인 현상이다. 입자는 동시에 여러 상태를 가정할 수 있다. 측정이 수행될 때만 되돌릴 수 없는 상태 중 하나가 발생한다. 즉, 중첩이 붕괴된다. 이것에 대한 비유는 슈뢰딩거의 고양이의 유명한 사고 실험이다. 독이 든 잠긴 상자에 앉아 있는 동물은 당신이 볼 때까지 삶과 죽음 사이의 상태에 있다.
중첩은 양자 암호의 해독 불가능성에서 양자 컴퓨터의 계산 능력에 이르기까지 수많은 양자 물리학 응용의 기초를 형성한다.
얼마나 더 "찾아보기"가 있을까?
양자 물리적 중첩은 얼마나 취약한가?
측정의 효과는 얼마나 되돌릴 수 있을까?
한국과학기술연구원(KIST) 홍성진 교수가 이끄는 물리학자들이 이에 대해 자세히 조사했다. 그들의 실험에서 그들은 세 가지 가능한 양자 상태를 가진 광자를 "고양이"로 사용했다. 이 광자가 중첩 상태에 있는 동안 팀은 다양한 크기의 상태를 하위 측정했다.
목적은 부분 측정이 중첩의 붕괴로 이어지는 정도와 사소한 교란이 되돌릴 수 있는지 여부를 결정하는 것이었다.
슈뢰딩거의 고양이에 적용:
고양이의 꼬리나 뒤쪽을 볼 수 있을 만큼만 상자를 열었지만 전체 상태는 아니다. 그런 다음 그들은 이 소위 약한 측정에 의해 얼마나 많은 정보를 얻었는지, 얼마나 많은 정보가 중첩되어 정보를 유지했는지, 얼마나 많은 정보가 돌이킬 수 없을 정도로 파괴되었는지를 결정했다.
부분 측정에도 중첩(오버레이)가 남음
결과:
실제로 측정이 약한 경우에만 오버레이가 완전히 축소되지 않는다. 그 대신 정보의 일부는 방해받지 않고 그대로 유지되고 다른 부분은 방해를 받지만 다시 중첩으로 가져올 수 있다. 이러한 가역적인 부분 측정에서는 팀이 발견한 바와 같이 전환된 정보의 정도가 중요하다.
"측정값이 얻는 정보가 많을수록 중첩 상태가 더 많이 교란되고 이 교란이 가역적이지 않다"고 홍교수와 동료들은 설명했다. "정보의 다양한 부분이 상호 연관돼 있어 동시에 세 가지 모두에 영향을 미치기 때문이다." 이것은 부분 측정의 범위가 변경되더라도 간섭 없이 또는 가역 간섭 없이 여전히 전송될 수 있는 정보 부분을 의미한다.
눈치 채지 못하게 도청하는 것 작동하지 않아
실험을 통해 제3자의 측정을 통한 양자 정보의 비밀 "도청"이 감지되지 않고 가능하지 않다는 것도 확인했다. 사용 가능한 정보를 추출하기 위해 데이터 도둑은 중첩이 축소될 정도로 부분 측정을 확장해야 하고 정당한 수신자가 이를 알아차릴 수 있기 때문이다.
연구원들은 "이는 양자 공간의 약한 측정과 비교해 양자 암호의 보안을 강화한다"고 말했다. 동시에 그들의 발견은 양자 통신을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.128.050401)
출처:National Research Council of Science & Technology
이중슬릿 실험(Double-slit experiment)
양자역학에서 실험 대상의 파동성과 입자성을 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.
이중슬릿 실험의 과학적 의미
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. 이 실험 결과는 당시 뉴턴 역학에 큰 영향을 주었으며, 에테르 이론에 바탕을 둔 빛의 파동이론을 촉발하는 계기가 되었다.
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.
영의 이중슬릿 실험
1801년 토머스 영은 광자의 이중슬릿 실험을 통해 간섭현상을 증명해냈다. 이 실험의 방법은 단색광을 단일 슬릿S에 입사시켜 이중 슬릿 S1와 S2를 통과하여 스크린에 나타나는 현상을 관찰하는 것이다. 이때 빛이 입자라면 일정한 무늬가 나타나야 한다. 그러나 실험 결과 파동처럼 간섭무늬가 나타났으며, 이것은 빛이 파동성을 가진 것을 의미한다.
또한 빛의 간섭성을 확인함으로써 빛의 파장을 최초로 구할 수가 있었다. 먼저 스크린 위의 임의의 P점을 잡는다. 이때 S1, S2에서 P에 이르는 경로차가[모호한 표현] 곧 위상차가 d sinθ 이므로 파장의 정수배로 경로차를 유지한다면 P점에서 보강간섭을 일으킬 것이다. 두 슬릿의 중간점으로부터 P까지의 연장선과 중심축사이의 각도를 θ하고, 중심축에서 P점까지의 거리를 Y로 두면 P점에서 보강간섭을 일으킬 때 경로차인 dsinθ = mλ(m=1,2,3....)이 성립한다. 따라서 이 수식을 이용하여 빛의 파장을 구해낸다.
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