지식보관소_ 최근 물리학자들은 양자역학의 오류를 일으킬 수 있는 관측하지 않고도 관측하는 방법을 고안해냈습니다.

 

 

얼마 전 핀란드의 알토대학의 연구팀은

양자역학의 quantum coherence 상태를 이용해서

관측하지 않고도 관측할 수가 있는 놀라운 방법을 실험했고

이 내용은 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되었습니다.

 

 

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자주하는 이야기지만

우리 앞에 물체가 있다라는 걸 알 수가 있는 이유는

우리가 이를 관측할 수가 있기 때문입니다.

 

광자가 앞에 있는 물체와 상호작용을 하고서

우리 눈에 있는 망막이 흡수될 때

그 정보를 가지고 뇌가 해석해서

우리가 인식을 할 수 있는 것이며

손으로 만지거나 냄새를 맡거나 하는 모든 행위가

해당 물체와의 상호작용을 기반으로 합니다.

한마디로 관측은 상호작용인 셈이죠.

 

아니, 관측을 하든 안 하든 그 물체는 같은 상태로 거기에 있을 텐데

이게 뭐가 중요하냐고 생각할지도 모르지만

20세기에 우리가 알아낸 사실에 의하면

놀랍게도 물체가 어떤 상태를 가지느냐는

전적으로 관측 여부에 따라서 결정이 됩니다.

 

이중슬릿에 전자를 쏘는 실험에서

우리가 이중슬릿을 지나오는 전자를 직접 관측하지 않았을 때

스크린에 찍히게 된 데이터는

마치 전자가 입자가 아닌 파동의 상태로

슬릿을 통과한 것과 같은 형태를 보였죠.

 

전자는 당연히 입자이기 때문에

이게 말이 안 된다고 생각한 과학자들은

이중슬릿에서 무슨 일이 일어나서 이러한 일이 생긴 건지

관측을 시도한 순간

전자는 다시 입자로 변했습니다.

 

믿기지 않지만

우리가 살고 있는 우주는 관측을 하지 않으면

입자로 존재하지 않는다고 볼 수 있을 정도이고

이 기본적인 원리 때문에

20세기에 정말 무수히 많은 논쟁들이 펼쳐진 것이죠.

 

심지어 제 채널의 영상들에서도 다뤘지만

최근에는 전자뿐만이 아니라 거대한 분자나 유기체조차도

완벽하게 관측이 불가능하게 만들 수가 있으면

물질 상태로 존재하지 않는다는 게

이미 실험으로 입증이 되었습니다.

 

이런 이상한 이유 때문에

양자역학을 아무도 제대로 이해하기 힘들다는 말이 나오는 것이죠.

 

 

그리고 왜 이러한 일이 일어나는지 증명하기 위해서는

결국에는 관측하지 않고도 관측이 가능해야 한다는 것인데

애초에 그게 지금까지는 불가능했습니다.

뭐 지금까지는 말이죠.

 

얼마 전 핀란드의 알토대학의 연구팀은

양자역학의 quantum coherence 상태를 이용해서

관측하지 않고도 관측할 수가 있는 놀라운 방법을 실험을 했고

이 내용은 네이처 커뮤니케이션즈에 게재되었습니다.

 

다들 아시다시피 quantum coherence는

양자컴퓨터의 핵심 원리로 사용되는 방법으로

양자상태에서 입자가 관측되기 전까지는

상태가 결정되지 않았다는

양자역학의 불확정성 원리를 기반으로 합니다.

 

예를 들어서

업스핀과 다운스핀의 두 가지 상태를 지닌 소립자 2개가 있을 때

각각 서로 다른 2개의 상태를 가지기 때문에

둘 중 하나의 소립자를 관측하게 되면

나머지 소립자의 상태는 결정됩니다.

 

문제는 양자역학에서는

관측 전에는 사실상 상태가 존재하지 않는 것이기 때문에

양자역학 입장에서는 관측하는 순간

어떤 정보로 확정이 되는 것이고

이 원리를 응용한 것이

최근 뜨거운 감자인 양자암호 통신이나 양자컴퓨터에 활용되는 기술인 것입니다.

 

문제는 아무리 이러한 방법들을 쓴다고 해도

결국에 상태를 확인할 때

관측이라는 행위가 반드시 필요하기 때문에

그 순간 결맞음이 깨지는 것이 일반적이고

왜 관측 전에는 입자가 아닌 파동의 상태로 존재하는지

알 수가 없다는 게 문제입니다.

 

그런데 연구팀은

이번에 interaction-free measurement

일명 ‘상호작용이 없는 관측’에

새로운 길을 열었다고 주장을 하는데요.

 

그래서 그게 어떻게 가능하냐고 물어볼 수가 있어서

제가 이 논문을 이해해서 설명을...

잠깐만, 이거 공식이..

아무튼 정확한 내용은

더 보기에 있는 논문 링크를 참고하시면 되고

 

중요한 건 연구팀은

초전도 회로로 이루어진 트랜스몬 장치를 사용해서

상호작용 없이 마이크로파 펄스의 존재 여부를 감지해 냈다는 것입니다.

 

물론 이전에도 레이저와 거울을 사용해서

사실상 직접적인 상호작용이 없는 수준의 관측이 가능했고

이것이 현재 양자 컴퓨터와 양자암호 통신을 가능하게 만드는 기술 중의 하나지만

이번 연구는 마이크로파와 초전도체를 사용해서

진정한 인터랙션 프리를 이뤄냈다고 연구팀은 주장을 하는데요.

 

만약에 이게 완벽한 interaction-free라면

사실 대단한 일인 것이죠.

적어도 이번에 고안한 프로토콜을 사용하면

양자컴퓨터와 양자암호통신 분야의 도약이 있을 것으로 기대가 된다고 합니다.

 

사실 양자역학은 너무나도 신기하면서 이상한 현상입니다.

분명히 말도 안 되는 것처럼 들리는데

놀랍게도 현대문명은

이런 말도 안 되는 양자역학 원리에 의해서 돌아가고 있죠.

 

양자컴퓨터, 초전도 현상, 반도체

그리고 심지어 도체의 전류가 흐를 수가 있는 근본 원리조차

양자역학이 아니면 애초에 설명되지 않습니다.

 

그러면서도 무슨 우리가 사는 세계가

컴퓨터 시뮬레이션도 아니고

관측하기 전엔 입자로 존재하지도 않는다고 하니까

시뮬레이션 우주론부터 양자적 다중우주까지

기이한 이론들을 탄생시킨 배경도

이런 이상한 양자역학의 현상 때문이죠.

 

물론 당장은 interaction-free가 성공했다고 해도

가장 기본적인 데이터인 마이크로파가 존재하는지 여부만

상호작용 없이 관측이 가능한 수준이지만

만약에 더 큰 규모에서 가능해질 수가 있다면

우리 우주에 시스템을 속이고

관측하지 않고도 정보를 볼 수가 있게 될지도 모를 일입니다.

 

그러면 우리는 과연

우리 우주에 대해서 어떠한 진실을 알게 될까요?