양자 역학

[산넘고물건너]

빌 게이츠가 한 유명한 말이 있습니다 " 저는 항상 제 자신을 사물의 밑바닥에 도달하려는 학생이며 저에게 좋은 하루는 아침에 일어났을 때보다 조금 더 많은 지식을 갖고 잠자리에 드는 날 입니다"
ㅡ빌 게이츠의 미래탐구 에서

가장 이해하기 어려운 학문으로, 혹자는 우리 미래를 한차원 성장시킬 유일한 학문이 양자 역학이자 양자 물리학이라고 합니다

인간이 세상에 볼 수 있는 물질은 전체의 5%도 안됩니다
이와 반대로, 아이작 뉴턴의 만유인력 덕분에 서로 보이지는 않지만 끌어당기는 27%의 보이지 않는 물질을 암흑 물질(Dark matters) 이라고 하고, 만유인력의 끌어 당기는 힘과 반대로 우주를 팽창시키는 나머지 보이지 않는 에너지를 암흑에너지(Dark energy) 라고 부릅니다
이것이 우주를 구성하고 있다고 합니다

우주의 구성물질 중 볼 수있는 물질의 법칙을 연구 하는 것이 고전물리학이였고 이분야 최고봉이 뉴턴입니다

뉴턴의 운동 제1법칙은 관성의 법칙으로 힘의 성질 가운데 하나를 설명하는 법칙입니다 중력은 단지 운동의 방향만을 바꿉니다
제2법칙은 힘이 물체에 가하는 변화를 양적으로 설명한 것으로 F=ma라는 공식으로 표시됩니다
제3법칙은 '작용반작용의 법칙'으로 반작용은 항상 크기가 같고 방향이 반대입니다
뉴턴은 세상이 돌아가는 이치를 지탱해주는 밑바탕의 근거가 되었습니다

그러다가 1920년대에 이르러 분명하고 확실했던 입자들이 뉴턴의 세계를 거부하고 독립적인 존제에서, 관찰자가 바라보는 것 만으로 물질의 존제와 인과 관계가 영향을 받는 양자역학이 새롭게 세상에 나오게 되었습니다

고전 물리학과는 다르게 양자역학은 눈에 보이지 않는 원자같은 미시세계에 성립하는 자연의 법칙을 탐구하는 학문 입니다
고전물리학은 항상 결과가 변하지 않는 고정된 예정론적 학문입니다
반면에 양자역학은 관찰자의 영향에 따라 결론이 다르게 도출될 수 있는 주관적 학문 입니다

막스 플랑크라는 사람이 양자역학의 창시자입니다
그가 양자이론을 발견한 기원은 뜨거운 물체가 특정한 색을 띄면 그 색상의 진동수에 해당하는 복사를 방출 한다는 것을 이용해서, 이른바 맥스웰방정식 이론을 적용해 방출된 빛의 진동수와 강도를 계산하다가 뜻밖에 에너지가 높은 진동수에서 거의 무한대로 나오는 것을 발견하고는 뉴턴의 고전물리학에서는 설명 할 수 없는 무언가가 있다고 생각 했습니다
그는 원자에서 방출되는 에너지가 기존의 물리학에서 말하는 흘러가는 연속적인 양이 아니라 양자(quanta)라는 작은 덩어리 단위로 방출된다고 가정하여 실험식에 수치를 대입해보자 실험에서 얻은 온도와 빛에너지 그래프가 정확히 맞아 들어가는 것을 발견했습니다
여기서 양자의 개념이 새롭게 탄생했습니다

원자는 그 중심에 원자핵이 있고 그 주위를 전자가 빙글빙글 도는 구조 입니다
모든 물질은 잘게 쪼게면 분자가 되고 분자는 원자로 구성되어 있습니다
다시 원자는 중성자와 양성자 그리고 쿼크라고 하는 더 이상 나누어지지 않는 3개의 소립자와 그 주의를 돌고 있는 전자로 구성되어 있습니다

우리가 입는 옷, 사용하는 컴퓨터, 우리의 몸도 이와 같은 소립자로 구성되어 있습니다
소립자의 조합에 따라 식물이나 동물이 혹은, 사람이 되기도 합니다

물리학에서 가장 아름답다고 여겨지는 실험이 1807년 영국 물리학자 토마스 영의 이중 슬릿 실험이 있습니다
이 실험의 목적은 빛의 정체가 파동인지 입자인지를 증명하기 위해서 광원과 스크린 사이에 첯번째 슬릿에는 구멍 한개, 두번째 슬릿에는 구멍 2개를 뚫는 이중 구멍을 설치해 어떻게 빛이 스크린 위에 투영 되는지 확인하는 것 입니다
결과는, 실험에서 빛은 중첩되어 간섭현상이 일어나 스크린에 간섭 무늬가 나타났읍니다
파동이 합쳐져서 강해지면 빛은 밝아지고 합쳐져서 약해지면 어두어져 흰색과 검은색의 줄 무늬가 나타나는 것 입니다
이로서 빛은 파동의 성질을 가지고 있음을 알게 되었습니다

그러나 1905년 아인슈타인은 빛은 입자로 구성되어 있다는 광양자설을 발표합니다
그리고 1923년 미국의 물리학자 아서 콤푸턴이 빛이 금속에 닿을때 방출되는 에너지효과에 대해서 빛의 입자성을 증명하므로서 빛은 파동이면서 입자이기도 하다는 결론에 도달하게 되어, 본격적으로 양자역학이 새로운 개념으로 연구하는 실체로 떠오릅니다

양자역학의 선구자인 막스 플랑크의 에너지 식은 E=hㆍv
(E 는 에너지 h는 플랑크 상수, v는 주파수 입니다)
즉, 보이지 않는 세계는 1초 동안 진동하는 주파수에 비례하고 사람으로 따지면 보이는 세계는 육체이고 보이지 않는 세계는 마음이나 감정일텐데, 육체는 눈에 보이므로 질량으로 표시되고 마음이나 감정은 주파수의 식으로 표현 된 것입니다

아인슈타인과 더불어 양자역학의 초기 발전에 대립과 상호 존중을 통해 기여한 덴마크인 과학자이자 철학자인 위대한 닐스 보어가 있습니다
1927년 보어는 ‘상보성의 원리’를 제안합니다. 이는 빛이나 물질의 파동성과 입자성이 동시에 존재할 수 없다는 것과 위치와 운동량을 동시에 정확히 알 수 없다는 불확정성의 원리의 바탕이 되는 철학이라고 간주 하였습니다

‘코펜하겐 해석’이라고 불리는 파동 함수로 존제하다가 누군가 관측하는 순간 파동함수가 마술처럼 붕괴 되면서 단 하나의 입자 상태로 결정되는 미스테리한 상태는 보어와 하이젠베르크의 양자역학 해석에 대해 양자론의 창시자인 막스 플랑크를 비롯해 모든 기존 물리학 학자들이 초기에는 인정을 안했지만 실제 실험 결과를 통해 실증적 원리로 받아 들여집니다

불가사이 한 것은 현대에 와서는 앞에서 제기한 토마스 영의 이중슬롯 시험을 빛을 대체해 전자총으로 전자를 하나씩 쏘면 2개의 슬롯을 통해 스크린에 간섭 무늬가 나타나는 반면에 똑같은 실험을 하면서 누군가 관측하려고 하면, 스크린에는 간섭 무늬가 생기지 않고 전자가 입자처럼 움직여 2개의 슬롯을 똑바로 통과한 흔적만 스크린에 남는 것 이었습니다
결론적으로, 양자 역학의 보이는 세계는 입자성이 있고 보이지 않는 세계는 파동성을 보인다는 것입니다
입자냐 파동이냐는 서로 배타적이지 않고 보완적 관계라는 보어의 상보성의 원리가 다시 힘을 얻게 됩니다

양자역학은 많은 사람들에게서 논란과 그 난해함으로 인해서 많은 어려움을 극복해 나가고 있습니다
대표적인 양자역학의 특징들을 열거해 볼까 합니다

슈뢰딩거의 고양이ㅡ
큼직한 상자 안에 고양이 한 마리와 함께 독가스가 들어 있는 작은 병을 집어 넣는다
이 유리병 위에는 망치가 매달려 있고, 망치는 가이거 계수기에 연결되어 있는데, 가이거 계수기는 우라늄 상자에서 방출 된 입자를 감지한다
어느 순간 우라늄 원자가 붕괴되어 방사능 입자를 방출하면 가이어 계수기가 작동되면서 매달린 망치를 아래로 떨어트리고, 망치에 맞은 병이 깨지면서 상자 안에 독가스가 방출된다 그러면 고양이는 죽는다
이 모든 것을 세팅한 후 상자의 뚜껑을 닫는다

고양이는 죽었는가, 아니면 살아있는가?

만일 뉴턴같은 고전물리학자라면, 살았거나 혹은 죽었거나 하나라고 할 것입니다
양자역학자라면 산 고양이의 파동함수와 죽은 고양이의 파동함수가 중첩이 가장 정확한 서술이라고 주장합니다
죽은건지 산것인지는 관촬자의 확인 개입이 중요합니다
고전물리학에는 관찰자가 확인을 하든 말든 객관적 현실이 있다고 믿었지만 양자 역학에는 관찰자의 판단이 중요합니다

미치오 카쿠교수에 따르면 우리가 만일 전자처럼 양자세계에 살고 있다면 기존의 상식이 통하지 않는 일이 아래와 같은 일이 가능 하다고 합니다

ㅡ.우리는 서로 다른 두 장소에 동시에 존제 할 수 있다
ㅡ.우리는 한 장소에서 갑자기 사라졌다가 다른 장소에 나타날 수 있다
ㅡ.우리는 벽을 허물지 않고도 가쁜하게 통과할 수도 있다
ㅡ.우리 우주에서 죽은 사람은 다른 우주에 살아 있을 수도 있다
ㅡ.우리는 방을 건너갈때, 무수히 많은 경로를 동시에 건너가고 있다.
※ 미치오 카쿠 (뉴욕시립대학교 물리학교수 이자 세계적 이론 물리학 석학)

얽힘 (Entanglement)
살아 생전에 아인슈타인은 양자역학의 문제점을 거론하며 당대 양자역학의 거두인 닐스 보어를 토론이나 논쟁을 통해서 비판 했습니다
1935년아인슈타인은 그의 제자들과 양자역학을 한방에 날려버릴 비장의 카드를 생각해 내었습니다
그의 주장에 따르면, 여기 결맞음 상태에 놓인 2개의 전자가 있다 결맞음이란 두전자가 동일한 모드로 진동한다는 뜻으로 전자는 스핀이라는 물리량을 가져야 안정성을 유지 할 수 있다
즉, 전자 하나가 시계방향(+1)으로 자전한다면 다른 하나는 반시계방향(-1)으로 자전 할 것이다 그래야 총 스핀이 0으로 유지되기 때문이다
이제 두 전자 중 하나는 지구에 놔두고, 나머지 하나를 지구 반대편으로 옮겨 놓았다고 하자,
이 때 지구에 있는 전자가 시계방향으로 움직인다면 은하 반대편 전하는시계반대방향으로 움직여야 한다

그런데 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의하면 물체와 정보를 포함한 그 어떠한 것도 빛보다 빠르게 이동 할 수 없으므로, 아인슈타인은 얽힘같은 양자역학 이론이 틀렸다고 주장했습니다
결국 아인슈타인의 주장은 결론을 보지 못 한채 세상을 떠났지만 이 실험은 1949년과 1975년, 그리고 1980년도에 개선된 실험 버젼으로 수행되었는데, 그 결과는 예상대로 양자역학의 승리였습니다

두 전자 사이를 오가는 정보는 즉각적으로 전달되기는 하지만 그 내용이 무작위로 되어 있기 때문에 유용한 정보를 전달 할 수 없지만 두 물체가 결맞음 상태에 있으면 둘 사이의 거리가 아무리 멀어도 그 상태를 유지 할 수 있다고 합니다
이런 현상을 얽힘 이라는 용어로 부릅니다
이것이 양자역학을 활용한 양자컴퓨터의 핵심원리이며 이로 인해서 막강한 계산 능력이 발휘 됩니다

양자컴퓨터의 원리는 기존의 컴퓨터는 0 과 1의 배열로 이루어진 정보에 기초하고 있고 이것을 비트라고 합니다
노벨상 수상자인 리차드 파인만은 1959년도에 그의 에세이에서 "0과 1로 이루어진 수열을 원자의 상태로 대체하면 원자 규모의 아주 작은 컴퓨터를 만들 수 있지 않을까" 라고 생각 했습니다

원자는 자전하는 팽이와 비슷해서 자기장을 걸어주면 위(up) 또는 아래(down)로 정렬합니다
자전방향이 반시계 방향이면 up, 시계방향이면 down으로 정의하는 상태를 원자의 스핀 (spin) 이라고 합니다
이때 up을 0, down을 1에 대응시키면 컴퓨터의 비트(컴퓨터 최소단위로 0과 1로 구성)와 동일하게 됩니다
그러나 원자의 세계는 두방향의 조합으로 구성되어 있습니다
예를들어, 어떤 원자는 주어진 시간의 10%만 up 이고 90%는 down 입니다 또 어떤 원자는 30%가 up 이고 70%는 down 입니다
즉, 원자의 스핀하는 가질 수 있는 스핀값은 무수히 많기 때문에 0과 1의 중간상태가 혼합된 상태를 큐비트(qbit)의 형태로 저장할 수 있습니다
일반 디지탈컴퓨터의 비트는 한번에 한개의 정보 밖에 운반이 안되지만 큐비트의 연산 능력은 거의 무한대에 가깝게 됩니다
원자규모에서 물리적 객체가 여러개의 상태에 동시에 존제하는 현상을 중첩(superposition) 이라고 합니다
우리 주위에 있는 냉장고나 tv같은 거시적 물체는 오직 하나의 위치 만을 갖지만 원자의 세계에서 전자는 이곳 과 저곳에 동시에 존제 할 수 있습니다
재미있는 것은 기존의 컴퓨터에서 디지탈 비트는 다른 비트에 영향을 줄 수 없지만 큐비트는 상대방과 상호작용을 할 수가 있습니다 큐비트 집단에 새로운 큐비트를 추가하면 새로 유입된 큐비트가 기존의 모든 규비트와 상호작용을 교환하므로 가능한 상호작용의 수가 두배로 많아 집니다
예를들면 어떤 양자컴퓨터가 100개의 큐비트를 갖고 있다면 큐비트 1개로. 이루어진 양자컴퓨터보다 2의 100제곱배 강력한 성능을 보유하게 됩니다

양자역학의 활용분야는 무궁무진 하지만 그 중에 가장 획기적인 분야는 양자컴퓨터 분야입니다
양자컴퓨터의 능력을 보자면,
"현존하는 초고의 슈퍼컴퓨터로 100만년 걸릴 1천24비트 암호 해독을 양자컴퓨터를 이용하면 단 10시간이면 충분합니다. 전력 소모도 슈퍼컴은 30㎿가 소모되는 반면, 양자컴은 0.05㎿로 됩니다." ㅡ지디넷코리아
양자컴퓨터 과학기술이 왜 '게임 체인저'로 불리는지 보여주는 단적인 예입니다.

양자의 역량은 통신 분야에서 암호체계로 활용할 경우 해저 광케이블 국제적 도감청 등을 원천 차단할 수 있습니다.
반대로 중국과 미국의 암호화된 군사보안 암호와 모든 공개키 보안 알고리즘을 다 무력화시키고 해석해 낼 것 입니다
모든 시중의 암호화폐도 다 무력화 될 것 입니다

세계 각국이 양자를 미래 기술 패권을 좌우할 핵심 전략 기술로 인식하고 있습니다
우리의 앙자컴퓨팅 수준은 산업과 안보 판도를 바꿀 게임체인저로 세계 각국이 주목하고 있는 양자 기술, 크게 양자 컴퓨터와 양자 센서, 양자통신으로 나누어집니다
미국의 양자 컴퓨터 기술을 논문, 특허 등의 질을 100점이라고 할 때 한국은 몇 점일까요 겨우 2.3점에 불과하다고 합니다
중국은 35점으로 미국에 이어 2위에 올랐고 독일(28.6점)과 일본(24.5점), 영국(24점)이 뒤를 이었습니다.

양자 과학기술은 이제 시작 단계입니다. 상용화 시점도 양자통신은 향후 4~6년, 양자센싱은 7~9년, 양자컴퓨터는 10~14년 정도 걸릴 것으로 예상 됩니다
새로운 세상이 다가오는 느낌입니다

[산넘고물건너]

https://v.daum.net/v/20241210160919268

[술사랑]

용인에 퀀텀센싱 이라는 양자 관련 회사가 있는대표가 곡성 후배 ᆢ난 양자분야 문외한인데
아우님은 박학다식ᆢ
정보박사님 쌩쌩큐

[산넘고물건너]

예 반갑습니다
건강하시죠 찿아뵙고 인사드리려다 늦었습니다
올해도 복많이 받으시고 건강하시라고 기원드립니다