3장. 떠오르는 양자
(뉴턴의 결정론 : 고전 물리학)
뉴턴 역학에 의하면 우주는 태엽이 풀이면서 잗동하는 거대한 시계와 비슷했다. 조물주가 우주를 창조하면서 태엽을 감아놓았고, 뉴턴은 태엽이 풀릴 때 작동하는 원리를 발견했다.
(플랭크의 양자 개념)
뉴턴과 맥스월의 이론을 적용하면 뜨거운 물체에서 방출된 빛의 진동수과 강도를 계산할 수 있다.....
그런데 막상 계산을 해보니 재앙과 같은 결과가 얻어졌다. 뜨거운 물체에서 방출된 에너지가 높은 진동수에서 거의 무한대로 나온 것이다. 현실세계에서는 이런 일이 절대로 일어날 수 없기에, 물리학자들은 이 결과를 ‘레일리-진스파탄Rayleigh-Jeans catastrophe‘이라 불렀다. 이것은 뉴턴역학 어딘가에 심각한 문제가 있음을 알려주는 적신호임이 분명했다.
어느 날, 플랑크는 물리학 강의 준비를 위해 레일리-진스파탄을직접 계산해보던 중 엉뚱하면서도 기발한 아이디어를 떠올렸다.
원자에서 방출되는 에너지가 연속적인 양이 아니라 ‘양자quanta‘라는 작은덩어리 단위로 방출된다고 가정한 것이다.
물론 이것은 에너지를 연속체로 간주한 뉴턴의 물리학에 위배되는 가정이었다. 그러나 에너지가 양자 덩어리라는 가정하에 계산을 해보니, 실험에서 얻은 온도-빛에너지 그래프가 정확하게 재현되었다.
양자의 개념이 드디어 탄생한 것이다.
<양자이론 탄생> 아인슈타인-빛의 이중성,슈뢰딩거-파동방정식
독자들도 잘 알다시피, 그 청년의 이름은 알베르트 아인슈타인이다. 그는 플랑크의 양자가설에 기초하여 빛에너지는 작은 덩어리(양자) 단위로 전달되기 때문에 금속 표면의 전자를 외부로 이탈시킬 수있다고 주장했다.
(빛의 이중성 : 입자 , 파동-간섭형상)
여기서 탄생한 것이 ‘빛의 이중성‘이라는 개념이다. 즉, 빚은 광자photon라는 입자처럼 행동할 수도 있고, 광학에서 말하는 파동처럼 행동할 수도 있다. 그 이유는 확실치 않지만, 어쨌거나 빛은 두 가지 특성을 모두 갖고 있다.
(고전적인 물체의 거동은 뉴턴의 운동 방정식 F=ma, 물지파의 거동을 좌우하는 슈뢰딩거의 파동방정식, 양자 물리학의 기초)
(슈뢰딩거의 파동방정식)
파동방정식으로 계산된 공명 진동수는 실제 공명 진동수와 정확하게 일대일 대응된다.
(p65)
생명을 포함한 우주 만물의 구성요소를 단 하나의 방정식으로 설명 할 수 있다는 것은 정말 놀라운 일이 아닐 수 없다. 덕분에 그 끝을 알 길이 없던 우주가 갑자기 단순해졌고, 물리학과 화학은 거의 하나의 분야로 통합되었다.(p.67) - P61
<확률파동>
독일의 물리학자 막스 보른이 물질은 입자로 이루어져 있지만 ‘ 그 입자가 발견될 확률은 파동으로 주어진다.‘고 주장함으로써 물리학자들을 당혹스럽게 만들었다.
(중략)
하이젠베르크는 여기서 한 걸음 더 나아가 측정 장비가 제 아무리 완벽해도 입자의 위치와 운동량(속도)을 동시에 정확하게 알아내는 것은 원리적으로 불가능하다는 ‘불확정성의 원리‘릏 발표하여 반대론자들의 심시를 더욱 불편하게 만들었다.
(중략)
양자컴퓨터가 가능한 것은..... 전자의 상태가 다양한 양자상태의 합(중첩)으로 서술되기 때문에, 양자컴퓨터가 막강한 계산 능력을 발휘하는 것이다.(p.69) - P68
<얽힘>
두 물체가 결맞음 상태에 있으면(동일한 패턴으로 진동하면) 둘 사이의 거리가 아무리 멀어져도 그 상태를 유지할 수 있다. 요즘 물리학자들은 이 현상을 ‘얽힘entanglement‘이라는 용어로 부른다.
바로 이것이 양자컴퓨터의 핵심원리이다. 서로 얽혀 있는 큐비트는거리가 멀어져도 상호작용을 할 수 있으며, 이로부터 막강한 계산 능력이 발휘된다.
비유하자면, 일상적인 디지털 컴퓨터는 여러 명의 회계사들이 독립적으로 일하는 사무실과 같다. 이들은 완전히 고립된 상태에서 각자 자신에게 할당된 계산을 수행한 후 결과를 순차적으로 넘겨준다.
그러나 양자컴퓨터는 방 안을 가득 메운 회계사들이 수시로 상호작용을 하면서 동시에 계산을 수행하고, 얽힘을 통해 정보를 교환한다.
즉, 양자컴퓨터는 결맞음 상태에서 주어진 문제를 함께 해결하고 있더 - P81
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