양자 물리학 100년: 1920년대 이론에서 컴퓨터로

1920년대로 돌아가 보면 원자의 행동에서 양자 컴퓨터의 작동에 이르기까지 모든 것의 기초가 되는 이론인 양자 역학이 널리 받아들여지고 있었습니다. 그러나 한 가지 수수께끼가 남아 있습니다. 전자, 원자, 분자와 같은 양자 물체는 때때로 입자처럼 행동하고 다른 물체는 파동처럼 행동합니다. 때로는 입자와 파동처럼 동시에 행동하기도 합니다. 따라서 이러한 양자 물체를 연구할 때 과학자들이 계산에 어떤 접근 방식을 사용해야 하는지 명확하지 않았습니다.

때때로 과학자들은 정확한 결과를 얻기 위해 양자 물체가 파동이라고 가정해야 했습니다. 다른 경우에는 물체가 실제로 입자라고 가정해야 했습니다. 때로는 두 가지 접근 방식이 모두 효과가 있었습니다. 그러나 다른 경우에는 하나의 접근 방식만 올바른 결과를 생성하고 다른 접근 방식은 가짜 결과를 반환했습니다. 이 문제의 역사는 오래 전으로 거슬러 올라갑니다. 그러나 최근의 실험은 이 오래된 질문에 새로운 빛을 주었습니다.

양자의 역사

1801년 Thomas Young이 처음 수행한 같은 이름의 이중 슬릿 실험에서 빛은 파동처럼 행동했습니다. 이 실험에서는 레이저 빔을 이중 슬릿에 조사한 다음 결과 패턴을 관찰합니다. 빛이 입자로 구성되어 있다면 두 개의 슬릿 모양의 빛 블록이 예상됩니다. 대신, 그 결과 특징적인 패턴으로 배열된 많은 작은 빛 블록이 생성됩니다. 물줄기에 이중 슬릿을 배치하면 바로 아래에 동일한 패턴이 생성됩니다. 그래서 이 실험은 빛이 파동이라는 결론을 이끌어 냈습니다.

그러던 중 1881년 하인리히 헤르츠가 재미있는 발견을 했습니다. 그가 두 개의 전극을 가지고 그 사이에 충분히 높은 전압을 가했을 때 스파크가 나타났습니다. 이것은 정상입니다. 그러나 Hertz가 이 전극에 빛을 비추면 스파크 전압이 변경되었습니다. 이것은 빛이 전극 물질에서 전자를 떨어뜨렸다는 사실에 의해 설명되었습니다. 그러나 이상하게도 방출된 전자의 최대 속도는 빛의 세기가 바뀌면 바뀌지 않고 빛의 주파수에 따라 바뀌었다. 파동 이론이 사실이라면 이 결과는 불가능합니다. 1905년 알버트 아인슈타인은 해결책을 내놓았습니다. 빛은 실제로 입자였습니다. 이 모든 것이 불만족스러웠습니다. 과학자들은 때때로 참인 두 가지 이론보다 항상 참인 하나의 이론을 선호합니다. 그리고 이론이 가끔만 참이라면 우리는 적어도 어떤 조건에서 그것이 참인지 말할 수 있기를 원합니다.

그러나 이것이 바로 이 발견의 문제였습니다. 물리학자들은 빛이나 다른 물체를 언제 파동으로 간주해야 하고 언제 입자로 간주해야 하는지 알지 못했습니다. 그들은 슬릿의 가장자리와 같은 어떤 것들이 파도와 같은 행동을 유발한다는 것을 알고 있었습니다. 그러나 그들은 이것이 왜 그런 것인지 또는 어떤 이론을 언제 사용해야 하는지에 대한 명확한 설명을 갖고 있지 않았습니다.

이 수수께끼는 입자파 이원론, 여전히 보존됩니다. 그러나 새로운 연구는 상황에 약간의 빛을 밝힐 수 있습니다. 한국기초과학연구원의 과학자들은 광원의 성질이 그것이 얼마나 입자이고 얼마나 파동인지에 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 이 문제를 연구하는 새로운 접근 방식으로 그들은 양자 컴퓨팅의 개선으로 이어질 수 있는 길을 열었습니다. 또는 그런 희망.

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입자와 파동을 만드는 방법

실험에서 과학자들은 반반사 거울을 사용하여 레이저 빔을 두 부분으로 분할했습니다. 이 광선 각각은 결정에 부딪혀 두 개의 광자를 생성합니다. 각 결정에서 개씩 총 개의 광자가 방출됩니다.

과학자들은 각 결정에서 하나의 광자를 간섭계로 보냈습니다. 이 장치는 두 개의 광원을 결합하여 간섭 패턴을 만듭니다. 이 패턴은 Thomas Young이 앞서 언급한 슬릿 실험에서 처음 발견했습니다. 이것은 또한 연못에 두 개의 돌을 던질 때 볼 수 있는 것입니다. 물결 모양의 물결은 서로를 강화하고 다른 일부는 서로를 중화시킵니다. 즉, 간섭계는 빛의 파동성을 감지합니다.

다른 두 광자의 경로는 입자 특성을 결정하는 데 사용되었습니다. 논문의 저자는 어떻게 했는지 지정하지 않았지만 일반적으로 광자가 어디로 갔는지 보여주는 물질을 통해 광자를 통과시켜 수행됩니다. 예를 들어 가스를 통해 광자를 쏘면 광자가 통과한 곳에서 점화됩니다. 최종 목적지가 아닌 궤적에 초점을 맞추면 광자가 파동이 될 수 있습니다. 그 이유는 매 순간 광자의 정확한 위치를 측정하면 점처럼 생겨서 스스로 부딪힐 수 없기 때문입니다.

이것은 측정이 해당 측정의 결과에 능동적으로 영향을 미치는 양자 물리학의 많은 예 중 하나입니다. 따라서 실험의 이 부분에서는 광자 궤적의 끝에서 간섭 패턴이 없었습니다. 따라서 연구자들은 광자가 어떻게 입자가 될 수 있는지 알아냈습니다. 이제 과제는 이것이 얼마나 입자이고 얼마나 많이 파동 특성이 남아 있는지를 정량화하는 것이 었습니다.

동일한 결정의 두 광자가 함께 생성되기 때문에 단일 양자 상태를 형성합니다. 이것은 이 두 광자를 동시에 설명하는 수학 공식을 찾는 것이 가능하다는 것을 의미합니다. 결과적으로 연구원들이 두 광자의 "부분성"과 "파장"이 얼마나 강한지를 정량화할 수 있다면 그 정량화는 결정에 도달하는 전체 빔에 적용될 수 있습니다.

실제로 연구원들은 성공했습니다. 그들은 간섭 패턴의 가시성을 확인하여 광자의 물결 모양을 측정했습니다. 가시성이 높을 때 광자는 매우 파동과 같았습니다. 패턴이 거의 보이지 않을 때 그들은 광자가 입자와 매우 유사해야 한다는 결론을 내렸습니다.

그리고 이 가시성은 우발적이었습니다. 두 결정 모두 동일한 강도의 레이저 빔을 받았을 때 가장 높았습니다. 그러나 한 결정에서 나오는 광선이 다른 것보다 훨씬 더 강렬하면 패턴의 가시성이 매우 희미해지고 광자가 입자처럼 보일 가능성이 더 큽니다.

이 결과는 대부분의 실험에서 빛이 파동이나 입자의 형태로만 측정되기 때문에 놀라운 것입니다. 오늘날 여러 실험에서 두 매개변수가 동시에 측정되었습니다. 이것은 광원이 가지고 있는 각 속성의 정도를 결정하는 것이 쉽다는 것을 의미합니다.

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이론 물리학자들은 기뻐한다

이 결과는 이론가들이 미리 예측한 것과 일치합니다. 그들의 이론에 따르면, 양자 물체가 얼마나 파동적이고 미립자인지는 소스의 순도에 달려 있습니다. 이 맥락에서 순도는 특정 결정 소스가 빛을 방출할 확률을 표현하는 멋진 방법일 뿐입니다. 공식은 다음과 같습니다. V2 + P2 = µ2, 여기서 V는 방향 패턴의 가시성, P는 경로의 가시성, µ는 소스의 순도입니다.

이는 빛과 같은 양자 물체가 어느 정도 파동과 같을 수 있고 어느 정도 입자와 같을 수 있지만 이것은 소스의 순도에 의해 제한된다는 것을 의미합니다. 간섭 패턴이 보이거나 V 값이 이 아닌 경우 양자 물체는 파동과 같습니다. 또한 경로가 관찰 가능하거나 P가 이 아닌 경우 입자와 유사합니다.

이 예측의 또 다른 결과는 순도가 양자 경로의 얽힘이 높으면 순도가 낮고 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것입니다. 실험을 수행한 과학자들은 그들의 작업에서 이것을 수학적으로 보여주었습니다. 결정의 순도를 조정하고 결과를 측정함으로써 그들은 이러한 이론적 예측이 실제로 옳았다는 것을 보여줄 수 있었습니다.

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더 빠른 양자 컴퓨터?

양자 물체의 얽힘과 입자성 및 물결 모양 사이의 연결은 특히 흥미 롭습니다. 양자 인터넷을 구동할 수 있는 양자 장치는 얽힘을 기반으로 합니다. 양자 인터넷은 고전 컴퓨터에서 인터넷이 무엇인지에 대한 양자 비유입니다. 많은 양자 컴퓨터를 함께 연결하고 데이터를 공유할 수 있게 함으로써 과학자들은 단일 양자 컴퓨터로 달성할 수 있는 것보다 더 많은 전력을 얻을 수 있기를 희망합니다.

그러나 우리가 기존 인터넷에 전력을 공급하기 위해 하는 것처럼 광섬유를 통해 비트를 전송하는 대신 양자 인터넷을 형성하기 위해 큐비트를 얽히게 해야 합니다. 입자의 얽힘과 광자의 물결 모양을 측정할 수 있다는 것은 양자 인터넷의 품질을 제어하는 ​​더 간단한 방법을 찾을 수 있음을 의미합니다.

또한 양자 컴퓨터 자체는 입자 파동 이원론을 사용하여 더 좋아질 수 있습니다. 중국 칭화대 연구진의 제안에 따르면 다중 슬릿 격자를 통해 소형 양자 컴퓨터를 구동해 성능을 높일 수 있다고 한다. 소형 양자 컴퓨터는 자체적으로 큐비트로 사용되는 몇 개의 원자로 구성되며 이러한 장치는 이미 존재합니다.

다중 슬릿 격자를 통해 이러한 원자를 통과시키는 것은 물론 약간 더 복잡하지만 이중 슬릿을 통해 빛을 통과시키는 것과 매우 유사합니다. 이것은 더 많은 가능한 양자 상태를 생성하여 "발사된" 컴퓨터의 성능을 높일 것입니다. 이 이면의 수학은 이 논문에서 설명하기에는 너무 복잡하지만 중요한 결과는 이러한 -양자 컴퓨터가 기존 양자 컴퓨터보다 병렬 컴퓨팅에서 더 우수할 수 있다는 것입니다. 병렬 컴퓨팅은 또한 고전 컴퓨팅에서 일반적이며 기본적으로 컴퓨터가 여러 계산을 동시에 수행하여 전반적으로 더 빠르게 만드는 능력을 나타냅니다.

따라서 이것은 매우 기초적인 연구이지만 가능한 응용 프로그램은 이미 지평선에 있습니다. 현재로서는 증명할 수 없지만 이러한 발견은 양자 컴퓨터의 속도를 높이고 양자 인터넷의 출현 속도를 약간 높일 수 있습니다.

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매우 기본적이지만 매우 흥미로운

이 모든 것을 매우 회의적으로 받아들여야 합니다. 연구는 견고하지만 또한 매우 기초적입니다. 일반적으로 과학 및 기술의 경우와 마찬가지로 기초 연구에서 실제 적용까지 갈 길이 멉니다.

그러나 한국의 연구원들은 한 가지 매우 흥미로운 사실을 발견했습니다. 입자-파동 이원론의 신비는 단기간에 사라지지 않을 것입니다. 오히려 모든 양자물체에 너무 깊이 뿌리박혀 있어서 사용하는 것이 좋을 것 같습니다. 소스의 순도와 관련된 새로운 양적 기준을 사용하면 이 작업을 더 쉽게 수행할 수 있습니다.

첫 번째 사용 사례 중 하나는 양자 컴퓨팅에서 발생할 수 있습니다. 과학자들이 보여주듯이 양자 얽힘과 입자 파동 이원론은 관련이 있습니다. 따라서 얽힘 대신에 물결 모양과 뭉침 정도를 측정할 수 있었습니다. 이것은 양자 인터넷을 만드는 과학자들에게 도움이 될 수 있습니다. 또는 다음을 사용할 수 있습니다. 이중성 양자 컴퓨터를 개선하고 더 빠르게 만들기 위해. 어느 쪽이든, 흥미진진한 양자 시간이 얼마 남지 않은 것처럼 보입니다.

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