측정과 중첩

“물체”, “입자”, “사물” 같은 모든 개념은 측정에서 찾아낸 패턴에 붙인 이름일 뿐입니다. 실제로 보는 것은 측정입니다. 우리는 눈에 들어오는 광자를 측정하고 있는 것입니다!

보통 공 같은 물리적 사물에 대해서는 우리가 늘 측정하고 있습니다. 우리는 그것을 만지거나, 광자가 그것에 닿아 우리 눈에 들어옵니다. 우리가 측정하지 않을 때, 보통 다른 무언가가 측정하고 있습니다. 공기 분자가 그것에 닿아 반응하고 있죠.

그러나 전자 같은 어떤 것들은 충분히 작아서 끊임없는 측정을 피할 수 있습니다. 그래서 1900년대 초의 과학자들은 이상한 질문을 던지기 시작했습니다. 전자 같은 작은 물체는 측정되지 않을 때도 (위치 같은) 명확한 속성을 가질까요?

충격적이게도 답은 아니오였습니다. 그래서 물리학자들은 아무것도 측정하지 않을 때 물체의 속성을 기술하기 위해 양자역학을 발명했습니다. 측정 사이에는 전자가 단일하고 명확한 위치를 갖지 않습니다. 가능성들의 혼합으로 존재합니다. 측정 행위가 물체에게 하나의 명확한 답을 선택하도록 강제합니다.

이 개념을 보여주기 위해, 매우 단순하고 제어 가능한 양자계인 전자 스핀으로 보여드리겠습니다. 물론 세상에는 수많은 양자 속성이 있습니다: 전자 위치, 전자 속도, 빛의 파장. 그러나 이들은 모두 매우 복잡하며 길을 잃기 쉽습니다. 각각이 무한히 많은 가능한 측정 결과를 갖기 때문이죠! 예를 들어, 전자의 위치를 측정해 손가락에 있다거나, 노트북에 있다거나, 그 사이 어딘가에 있다고 알 수 있습니다.

반면 전자 스핀은 우리가 이진 상태라고 부르는 것입니다. 측정하면 위 또는 아래만 나올 수 있고, 그 사이는 절대로 나오지 않습니다. 이는 1922년의 전설적인 슈테른-게를라흐 실험에서 발견되었습니다. 그러므로 이것으로 작업하겠습니다. 개념을 훨씬 단순하게 해 줍니다.

아래는 스핀 상태에 있는 단일 전자입니다. 두 가지 일을 할 수 있습니다: 레이저를 쏘아 “위”와 “아래” 사이를 구동하거나, 측정하여 결과를 읽는 것입니다.

중첩은 측정 사이에 존재하는 가능성의 혼합을 일컫는 이름입니다.

측정하기 전, 전자는 “주로 위”나 “반은 위, 반은 아래”일 수 있는데, 이는 우리의 무지와는 전혀 무관합니다. 우리가 스핀을 아직 모른다는 것이 아닙니다. 아직 단일한 스핀이 존재하지 않는 것입니다. 측정이 그것을 만들어냅니다.

유용한 비유는 회전하는 동전입니다. 공중에서 돌고 있는 동안 동전은 앞면도 뒷면도 아닙니다. 두 가지의 실제, 물리적 조합이며, 손이 동전을 누르는 순간이 그것이 하나로 결정되는 순간입니다. 양자 중첩도 비슷합니다. 단, “회전”은 아무것도 닿지 않을 때 전자의 자연 상태라는 점만 다릅니다.

이것이 양자 컴퓨터에 우위를 줍니다. 일반 비트는 0 또는 1을 고릅니다. 큐비트는 각각에 특정 가중치를 가진 0과 1의 중첩을 유지할 수 있습니다. 많은 큐비트를 함께 실행하면 여러 조합을 한 번에 탐색합니다.