양자역학 기본 용어 완전정복｜중첩·얽힘·불확정성, 도대체 무슨 뜻일까?

눈앞에 문이 두 개 있다고 상상해 보자.

우리가 사는 세계에서는 왼쪽 문으로 들어가면 오른쪽 문으로는 들어갈 수 없다. 두 문을 동시에 통과하는 일은 불가능하다.

그런데 원자보다 작은 양자의 세계에서는 이야기가 달라진다.

아직 확인하지 않은 전자나 빛의 입자는 마치 두 문을 동시에 지나간 것처럼 행동할 수 있다. 서로 멀리 떨어진 두 입자가 하나의 시스템처럼 강한 상관관계를 보이기도 한다. 얇은 벽이라면 벽을 뚫고 반대편에서 발견될 수도 있다.

마술이나 공상과학 영화의 이야기가 아니다. 실제 실험에서 반복해서 확인된 자연의 모습이다.

하지만 양자역학을 공부하려고 책이나 영상을 찾아보면 금세 낯선 용어와 마주친다.

양자, 파동함수, 중첩, 얽힘, 불확정성 원리, 터널링, 큐비트….

용어 하나를 이해하려고 검색했는데 설명 안에 더 어려운 용어가 등장한다. 결국 “양자역학은 천재만 이해할 수 있는 학문인가?”라는 생각이 들기 쉽다.

오늘 철수와 떠나는 과학여행에서는 복잡한 수식 대신 하나의 작은 탐험선을 타고 양자의 세계로 들어가 본다. 양자역학에서 자주 만나는 기본 용어를 어린 학생도 이해할 수 있도록 쉬운 비유로 정리하되, 실제 과학에서 벗어난 설명은 피할 것이다.

이제 익숙한 상식을 잠시 내려놓고 아주 작은 세계로 출발해 보자.

양자역학이란 무엇일까?

양자역학은 원자와 전자, 빛을 이루는 광자처럼 매우 작은 대상을 설명하는 물리학이다.

야구공이 날아가는 방향이나 자동차의 움직임, 행성의 공전은 주로 고전역학으로 설명할 수 있다. 출발 위치와 속도를 알면 잠시 후 어디에 있을지 상당히 정확하게 계산할 수 있다.

하지만 전자와 광자의 세계에서는 이런 방식이 그대로 통하지 않는다.

전자에게 “지금 정확히 어디에 있니?”라고 물었을 때 양자역학은 하나의 확정된 위치만 알려주는 대신, 여러 위치에서 발견될 가능성을 계산한다.

이것은 측정 기술이 부족해서 벌어지는 단순한 문제가 아니다. 양자 세계는 본질적으로 확률적인 특성을 가진다는 것이 현재 양자역학의 표준적인 설명이다.

양자역학은 “아무것도 알 수 없다”는 이론이 아니다. 오히려 각각의 결과가 나타날 확률을 놀라울 정도로 정확하게 예측하는 이론이다.

반도체와 레이저, 자기공명영상장치, 원자시계, 태양전지와 양자컴퓨터 연구도 모두 양자역학이라는 토대 위에 서 있다.

양자역학과 양자물리학의 차이

두 표현은 일상적으로 비슷하게 사용되지만 범위에는 약간의 차이가 있다.

• 양자역학: 미시세계의 상태와 변화를 설명하는 구체적인 이론 체계
• 양자물리학: 양자역학을 포함해 양자장론, 양자광학, 양자정보 등 양자 현상을 다루는 넓은 분야

따라서 이번 주제는 흔히 말하는 ‘양자 물리 역학’보다는 양자역학 기본 용어 또는 양자물리학 기본 용어라고 표현하는 것이 자연스럽다.

양자란 무엇일까?

‘양자(quantum)’는 아주 작은 입자의 특별한 이름처럼 들린다. 하지만 원래 의미는 어떤 물리량이 연속적으로 변하지 않고 정해진 단위로 나뉘어 있다는 것이다.

계단을 생각해 보자.

경사로에서는 높이가 부드럽고 연속적으로 변한다. 그러나 계단에서는 한 칸과 다음 칸 사이의 중간 높이에 계속 머물 수 없다. 한 계단에서 다음 계단으로 옮겨가야 한다.

원자 속 전자의 에너지도 이와 비슷하다.

전자는 아무 에너지 상태에나 머무는 것이 아니라 허용된 에너지 상태를 갖는다. 전자가 한 에너지 상태에서 다른 상태로 이동할 때는 그 차이에 해당하는 에너지를 흡수하거나 방출한다.

이처럼 자연의 어떤 물리량이 특정한 단위로 나뉘어 나타나는 것을 양자화됐다고 표현한다.

한 문장 정리

양자는 에너지나 물리량이 연속적이지 않고 일정한 단위로 나뉘어 나타나는 성질 또는 그 최소 단위를 뜻한다.

‘양자’가 언제나 세상에서 가장 작은 물질 조각을 뜻하는 것은 아니다. 무엇이 양자화되는지에 따라 의미가 달라질 수 있다.

광자란 무엇일까?

어두운 방에서 손전등을 켜면 빛이 연속적인 물결처럼 쏟아져 나오는 것처럼 보인다.

하지만 빛은 에너지가 일정한 단위로 나뉜 입자처럼 상호작용하기도 한다. 이 빛의 양자를 광자(photon)라고 부른다.

광자는 정지질량이 없으며 진공에서 빛의 속도로 이동한다. 빛의 색을 결정하는 주파수가 높을수록 광자 하나가 가진 에너지도 커진다.

예를 들어 붉은빛을 이루는 광자보다 보라색이나 자외선 영역의 광자가 일반적으로 더 큰 에너지를 가진다.

광자는 입자처럼 검출기에 한 점으로 기록되지만, 이동과 간섭에서는 파동의 성질도 보여준다. 이 이상한 특성이 바로 파동-입자 이중성으로 이어진다.

파동-입자 이중성이란 무엇일까?

우리의 일상에서는 입자와 파동이 명확히 구분된다.

야구공은 한곳에 있는 입자처럼 움직인다. 물결은 넓게 퍼지고 서로 만나 간섭무늬를 만든다.

그런데 전자와 광자는 실험 방법에 따라 입자 같은 모습과 파동 같은 모습을 모두 보여준다.

이것을 파동-입자 이중성이라고 한다.

이중슬릿 실험으로 이해하기

벽에 가느다란 틈 두 개를 만들고 그 뒤에 검출용 화면을 놓는다고 생각해 보자.

작은 공을 틈을 향해 던지면 화면에는 두 개의 띠가 생길 것이다. 공은 왼쪽이나 오른쪽 틈 가운데 하나를 통과하기 때문이다.

그러나 물결을 두 틈으로 보내면 두 파동이 서로 만나 강해지거나 약해진다. 그 결과 화면에는 밝고 어두운 줄무늬가 반복되는 간섭무늬가 나타난다.

놀라운 일은 전자나 광자를 하나씩 발사해도 충분한 시간이 지나면 간섭무늬가 만들어진다는 것이다.

하나씩 발사된 입자가 파동처럼 여러 경로의 가능성을 가진 채 움직인다는 뜻이다.

그렇다면 전자가 실제로 어느 틈을 통과했는지 측정하면 어떻게 될까?

경로를 알아낼 수 있도록 실험 장치를 구성하면 간섭무늬가 사라진다. 전자는 어느 한 경로를 지나간 입자처럼 기록된다.

여기서 중요한 점이 있다.

“사람이 쳐다보았기 때문에 전자가 생각을 바꿨다”는 뜻이 아니다. 과학에서 관측은 인간의 의식이나 눈길을 의미하지 않는다. 측정장치와 양자계가 물리적으로 상호작용하면서 경로 정보가 남는 과정을 뜻한다.

한 문장 정리

전자와 광자는 고전적인 입자나 파동 중 하나로만 설명되지 않으며, 실험 조건에 따라 두 성질이 나타난다.

미국 국립표준기술연구소도 파동-입자 이중성을 양자역학을 이해하는 핵심 개념 가운데 하나로 설명한다.

파동함수란 무엇일까?

양자역학에서 입자의 상태를 표현할 때 자주 등장하는 것이 파동함수(wave function)다.

파동함수를 단순히 “입자가 실제로 넓게 퍼진 모양”이라고만 생각하면 오해하기 쉽다. 파동함수는 양자계의 상태와 가능한 측정 결과에 관한 정보를 담은 수학적 표현이다.

쉽게 비유하면 파동함수는 양자 세계의 가능성 지도와 비슷하다.

전자 한 개가 방 안에 있다고 해보자. 고전적인 생각으로는 전자가 우리가 모르는 어느 한 지점에 이미 존재한다고 상상하기 쉽다.

양자역학에서는 전자의 상태를 파동함수로 나타낸다. 파동함수 자체를 바로 확률로 읽는 것은 아니며, 그 크기의 제곱을 계산하면 특정 위치에서 전자를 발견할 확률밀도를 구할 수 있다.

가능성이 큰 영역에서는 전자가 발견될 확률이 높고, 가능성이 작은 영역에서는 발견될 확률이 낮다.

한 문장 정리

파동함수는 양자 상태와 측정 결과의 가능성을 계산할 수 있게 해주는 수학적 표현이다.

확률밀도란 무엇일까?

파동함수와 함께 자주 등장하는 용어가 확률밀도다.

확률밀도는 특정한 작은 공간에서 입자를 발견할 가능성이 얼마나 집중돼 있는지를 나타낸다.

전자구름을 예로 들어보자.

원자핵 주위의 전자를 작은 행성이 태양 주위를 도는 것처럼 그리는 경우가 많다. 이해하기 쉬운 그림이지만 실제 양자역학의 모습과는 차이가 있다.

전자가 정해진 원형 궤도를 따라 움직인다고 보기보다, 원자핵 주변 어느 영역에서 발견될 가능성이 큰지를 구름처럼 표시한다.

구름이 짙은 곳은 전자가 발견될 확률밀도가 높은 곳이고, 연한 곳은 낮은 곳이다.

다만 전자가 연기나 안개 물질로 변했다는 뜻은 아니다. 전자를 측정하면 검출기에서는 하나의 사건 또는 위치로 기록된다.

양자 중첩이란 무엇일까?

이제 양자역학에서 가장 유명한 용어 가운데 하나인 중첩(superposition)을 만나보자.

동전을 던진 뒤 손으로 가리고 있다고 생각해 보자. 우리는 결과를 모르지만 동전은 이미 앞면이나 뒷면 중 하나로 놓여 있을 것이다.

양자 중첩은 단순히 결과를 모르는 것과 다르다.

양자계는 측정하기 전까지 여러 가능한 상태가 결합된 하나의 양자 상태로 표현될 수 있다. 이를 중첩 상태라고 한다.

예를 들어 전자의 스핀을 측정했을 때 위 또는 아래라는 두 결과가 나올 수 있다면, 측정 전에는 두 가능성이 특정한 비율과 위상으로 결합된 상태를 가질 수 있다.

측정하면 그 가운데 하나의 결과가 관측된다.

중첩은 ‘복사’가 아니다

입자가 여러 개로 복제돼 각각 다른 장소에 숨어 있다는 의미가 아니다.

또한 우리가 정보를 몰라서 여러 가능성을 적어놓은 일반적인 확률표와도 다르다. 서로 다른 가능성의 진폭이 간섭할 수 있다는 점이 양자 중첩의 핵심이다.

슈뢰딩거의 고양이

중첩을 설명할 때 가장 유명한 사고실험이 슈뢰딩거의 고양이다.

밀폐된 상자 안에 고양이와 방사성 원자, 방사선을 검출하면 작동하는 장치가 있다고 가정한다. 원자의 붕괴 여부가 고양이의 생사와 연결된다면, 양자역학의 중첩을 큰 세계에 그대로 적용했을 때 고양이는 상자를 열기 전까지 살아 있는 상태와 죽은 상태가 중첩된 것처럼 표현된다.

하지만 슈뢰딩거가 실제로 고양이를 이용한 실험을 진행한 것은 아니다. 양자역학을 일상의 거대한 대상에 그대로 적용할 때 생기는 기묘함을 보여주기 위해 만든 사고실험이다.

현실의 고양이는 주변 공기와 빛, 열 등 수많은 환경과 끊임없이 상호작용한다. 이러한 상호작용은 중첩 상태를 매우 빠르게 잃게 만든다. 이것이 뒤에서 살펴볼 결맞음과 결어긋남의 문제다.

한 문장 정리

양자 중첩은 여러 가능한 상태가 단순히 나열된 것이 아니라 하나의 양자 상태로 결합된 것을 뜻한다.

측정과 파동함수의 붕괴란 무엇일까?

중첩 상태의 양자계를 측정하면 가능한 결과 가운데 하나가 나타난다.

전통적인 교과서식 설명에서는 측정 순간 파동함수가 하나의 결과에 해당하는 상태로 바뀐다고 말한다. 이를 파동함수의 붕괴라고 부른다.

하지만 “붕괴”라는 표현 때문에 실제 공간에 펼쳐진 물질이 폭발하거나 무너지는 모습을 상상해서는 안 된다. 양자 상태를 나타내는 수학적 표현이 측정 결과에 맞게 바뀐다는 의미다.

여기에는 아직 깊은 철학적 문제가 남아 있다.

• 측정은 정확히 어느 순간 일어나는가?
• 결과는 왜 하나만 나타나는가?
• 붕괴는 실제 물리 현상인가?
• 아니면 우리가 가진 정보가 바뀌는 과정인가?

양자역학의 여러 해석은 이 질문에 서로 다른 답을 제시한다. 그러나 해석이 달라도 대부분의 일상적인 실험 결과에 대한 계산은 동일하다.

‘의식이 현실을 만든다’는 주장에 주의

양자역학을 소개하는 일부 콘텐츠에서는 “사람이 바라보면 우주가 결정된다”거나 “생각만으로 현실을 바꿀 수 있다”고 주장한다.

현재의 과학적 증거는 그런 주장을 뒷받침하지 않는다.

양자 측정은 검출기, 빛, 주변 환경과 양자계 사이에 정보가 오가고 물리적 상호작용이 일어나는 과정이다. 반드시 인간이 직접 바라볼 필요는 없다.

불확정성 원리란 무엇일까?

하이젠베르크의 불확정성 원리는 양자역학에서 가장 자주 오해되는 개념 가운데 하나다.

전자와 같은 입자의 위치와 운동량을 동시에 무한히 정확하게 정할 수 없다는 원리다.

운동량은 물체의 질량과 속도에 관계된 물리량이다.

위치를 매우 정확하게 제한할수록 운동량에 관한 불확실성은 커지고, 운동량을 매우 정확하게 정할수록 위치에 관한 불확실성이 커진다.

수식으로는 다음과 같이 표현한다.

ΔxΔp≥ℏ2\Delta x \Delta p \geq \frac{\hbar}{2}

• Δx\Delta x: 위치의 불확실성
• Δp\Delta p: 운동량의 불확실성
• ℏ\hbar: 플랑크 상수를 2π2\pi로 나눈 값

측정기계가 나빠서 생기는 문제일까?

아니다.

물론 실제 측정에는 장비의 오차도 존재한다. 하지만 불확정성 원리는 단순히 현미경이나 검출기가 부정확해서 발생하는 문제가 아니다.

양자 상태의 구조 자체가 위치와 운동량을 동시에 임의의 정확도로 갖지 못하게 한다. 자연이 허용하는 근본적인 한계다.

물결을 짧은 구간에 모으려면 여러 파장의 성분을 섞어야 하는 것과 비슷하다. 위치를 좁게 모을수록 운동량과 관련된 파동 성분은 더 넓게 퍼진다.

한 문장 정리

불확정성 원리는 위치와 운동량처럼 특정한 물리량의 쌍을 동시에 무한한 정밀도로 확정할 수 없다는 자연의 근본적인 원리다.

양자 스핀이란 무엇일까?

스핀(spin)은 전자와 같은 입자가 가진 고유한 양자적 성질이다.

이름만 보면 작은 공이 자신의 축을 중심으로 빙글빙글 도는 모습을 떠올리기 쉽다. 하지만 전자의 스핀은 고전적인 공의 자전과 동일하지 않다.

스핀은 질량이나 전하처럼 입자가 본래 가지고 있는 양자적 특성이다. 스핀 때문에 입자는 자기장 안에서 특정한 방식으로 행동하며, 물질의 자성과 원자 구조에도 영향을 준다.

전자 스핀을 특정 방향으로 측정하면 흔히 ‘위’ 또는 ‘아래’라고 부르는 두 가지 결과를 얻을 수 있다.

측정 전 전자는 위와 아래 상태의 중첩으로 표현될 수 있다. 이 특성은 양자컴퓨터의 큐비트를 만드는 방법 가운데 하나로도 연구된다.

한 문장 정리

스핀은 입자가 실제로 작은 팽이처럼 회전한다는 뜻이 아니라 입자가 가진 고유한 양자적 성질이다.

양자 얽힘이란 무엇일까?

이제 탐험선 앞에 두 개의 빛 알갱이가 등장했다.

두 광자는 특별한 방식으로 만들어져 하나의 공동 상태를 이룬다. 이후 하나는 지구에 남고 다른 하나는 아주 멀리 이동했다고 상상해 보자.

이 두 입자를 각각 따로 설명할 수 없고 전체를 하나의 양자 상태로만 설명해야 한다면 두 입자는 얽혀 있다고 말한다.

한 입자를 측정한 결과와 다른 입자의 측정 결과 사이에는 고전적인 방법으로 설명하기 어려운 강한 상관관계가 나타날 수 있다.

아인슈타인은 이런 모습을 직관적으로 받아들이기 어려워했다. 그는 양자역학이 완전하지 않고, 우리가 알지 못하는 숨은 정보가 결과를 미리 결정한다고 생각했다.

이 논쟁을 실험으로 확인할 길을 연 사람이 물리학자 존 벨이다.

벨은 숨은 정보로 결과가 미리 정해지는 특정한 국소적 이론이라면 측정 결과의 상관관계가 넘어설 수 없는 한계가 있다는 것을 보였다. 이것이 벨 부등식이다.

이후 여러 실험에서 얽힌 입자의 측정 결과가 벨 부등식을 위반한다는 사실이 확인됐다. 이러한 연구에 기여한 알랭 아스페, 존 클라우저, 안톤 차일링거는 2022년 노벨 물리학상을 받았다. 

얽힘으로 빛보다 빠르게 연락할 수 있을까?

양자 얽힘은 멀리 떨어진 두 입자 사이에 강한 상관관계를 만든다. 그러나 원하는 메시지를 빛보다 빠르게 보내는 통신수단으로 사용할 수는 없다.

한쪽 측정에서 얻는 개별 결과는 통제할 수 없는 확률적인 결과다. 두 사람이 결과의 상관관계를 확인하려면 일반적인 통신수단으로 측정 정보를 비교해야 한다.

따라서 양자 얽힘이 상대성이론을 깨뜨리고 빛보다 빠른 통신을 허용한다고 말하면 정확하지 않다.

한 문장 정리

양자 얽힘은 여러 입자의 상태를 각각 독립적으로 설명할 수 없고 하나의 공동 양자 상태로 설명해야 하는 현상이다.

벨 부등식이란 무엇일까?

상자 두 개에 장갑 한 짝씩 넣는다고 생각해 보자.

한 상자를 서울로 보내고 다른 상자를 부산으로 보낸다. 서울의 상자를 열었더니 왼손 장갑이 나왔다면 부산 상자에는 오른손 장갑이 있다는 사실을 즉시 알 수 있다.

여기에는 신비로운 일이 없다. 장갑의 방향은 상자에 넣을 때 이미 정해져 있었다.

아인슈타인은 얽힌 입자도 이와 비슷할 수 있다고 생각했다. 입자의 측정 결과가 우리가 모르는 ‘숨은 변수’에 의해 미리 정해졌다는 것이다.

벨 부등식은 이런 종류의 국소적 숨은 변수 이론이 허용하는 상관관계의 한계를 수학적으로 제시한다.

실험 결과는 양자역학이 예측하는 방식으로 벨 부등식을 위반했다. 즉, 얽힌 입자를 단순히 결과가 미리 적힌 장갑 상자로 설명할 수 없다는 뜻이다.

다만 이것이 모든 종류의 숨은 변수 이론을 완전히 부정한다는 단순한 뜻은 아니다. 정확히는 자연을 국소적 숨은 변수 모형만으로 설명하기 어렵다는 의미다.

양자 터널링이란 무엇일까?

공 하나를 언덕 반대편으로 보내려면 언덕 정상보다 높은 에너지가 필요하다.

에너지가 부족하면 공은 언덕을 오르다가 다시 굴러 내려온다. 이것이 고전적인 세계에서 예상하는 결과다.

하지만 양자 세계의 입자는 파동함수로 표현된다. 입자의 파동함수 일부가 에너지 장벽 너머까지 이어질 수 있고, 측정하면 입자가 반대편에서 발견될 확률이 생긴다.

이 현상이 양자 터널링이다.

입자가 벽에 실제 구멍을 뚫거나 순간적으로 엄청난 에너지를 빌려 쓴다는 설명은 정확하지 않다. 양자 상태가 장벽을 통과할 수 있는 확률을 가진다는 뜻이다.

양자 터널링은 어디에 사용될까?

터널링은 현실의 기술과 자연현상에 관여한다.

• 주사터널링현미경
• 반도체와 초소형 전자소자
• 일부 방사성 붕괴
• 별 내부의 핵융합
• 플래시메모리의 작동 원리 일부

태양이 빛나는 과정에도 양자 터널링이 중요하다. 태양 중심의 양성자들은 전기적 반발력을 완전히 넘어설 만큼 충분히 빠르지 않더라도 터널링 확률 덕분에 핵융합 반응을 일으킬 수 있다.

한 문장 정리

양자 터널링은 고전적으로 넘기 어려운 에너지 장벽 반대편에서 입자가 발견될 수 있는 양자 현상이다.

에너지 준위란 무엇일까?

원자 속 전자는 아무 에너지나 가질 수 있는 것이 아니라 허용된 특정 에너지 상태를 갖는다. 이것을 에너지 준위라고 한다.

호텔의 층을 떠올려 보자.

사람은 2층이나 3층 객실에 머물 수 있지만 2.37층 객실에는 머물 수 없다. 층과 층 사이를 이동할 수는 있어도 그 중간에 계속 머물 수는 없다.

전자도 에너지를 흡수하면 더 높은 에너지 준위로 이동할 수 있다. 다시 낮은 준위로 내려오면 두 준위의 차이에 해당하는 에너지를 광자로 방출할 수 있다.

원소마다 에너지 준위 구조가 다르기 때문에 방출하거나 흡수하는 빛의 색도 달라진다. 과학자들은 이 빛의 스펙트럼을 분석해 멀리 있는 별이 어떤 원소로 구성돼 있는지 알아낸다.

우주의 별빛 속에는 별의 성분을 알려주는 일종의 지문이 들어 있는 셈이다.

바닥상태와 들뜬상태란 무엇일까?

양자계가 가질 수 있는 가장 낮은 에너지 상태를 바닥상태 또는 기저상태라고 한다.

외부에서 에너지를 받아 더 높은 에너지 준위로 이동한 상태는 들뜬상태라고 한다.

들뜬상태는 일반적으로 계속 유지되지 않는다. 전자는 일정 시간이 지나면 더 낮은 에너지 상태로 이동하면서 빛을 방출할 수 있다.

바닥상태는 에너지가 완전히 0일까?

항상 그런 것은 아니다.

양자계는 가장 낮은 에너지 상태에서도 완전히 멈춘 고전적인 물체처럼 행동하지 않는다. 불확정성 원리와 관련해 영점에너지를 가질 수 있다.

따라서 바닥상태는 “가능한 에너지 중 가장 낮은 상태”이지 반드시 모든 에너지가 사라진 상태를 뜻하지 않는다.

양자 도약이란 무엇일까?

전자가 한 에너지 준위에서 다른 준위로 전이하는 것을 양자 도약 또는 양자 전이라고 부른다.

일상에서는 ‘양자 도약’을 엄청나게 큰 발전이라는 의미로 사용한다. 하지만 물리학에서 양자 도약은 크고 거대한 점프를 뜻하지 않는다.

오히려 허용된 양자 상태 사이의 전이를 의미한다.

에너지 준위 사이의 차이가 작을 수도 있고 클 수도 있다. 중요한 것은 전자가 아무 중간 상태에 계속 머무는 것이 아니라 허용된 상태 사이에서 전이한다는 점이다.

결맞음과 결어긋남이란 무엇일까?

양자 중첩과 간섭이 유지되려면 서로 다른 양자 상태 사이의 위상 관계가 안정적으로 유지돼야 한다. 이것을 양자 결맞음(coherence)이라고 한다.

여러 사람이 같은 박자에 맞춰 노래하는 합창단을 생각해 보자.

모두 같은 리듬을 유지하면 소리가 하나의 질서 있는 패턴을 만든다. 하지만 각자 다른 박자로 노래하기 시작하면 처음의 조화는 빠르게 사라진다.

양자계도 주변 환경과 상호작용하면 상태 사이의 위상 관계가 흐트러진다. 이를 결어긋남 또는 디코히런스(decoherence)라고 한다.

공기 분자와의 충돌, 열, 전자기파, 측정장치와의 상호작용 등이 결어긋남을 일으킬 수 있다.

왜 고양이는 중첩 상태로 보이지 않을까?

고양이처럼 큰 대상은 엄청나게 많은 입자로 구성돼 있고 주변 환경과 끊임없이 상호작용한다. 그래서 양자적 중첩에 필요한 결맞음이 극도로 빠르게 사라진다.

큰 물체도 결국 양자 법칙의 영향을 받지만, 일상에서는 중첩과 간섭이 관찰되기 어려운 이유다.

양자컴퓨터의 가장 큰 적

양자컴퓨터는 큐비트의 중첩과 얽힘을 계산에 이용한다. 하지만 외부 잡음과 열 때문에 결어긋남이 일어나면 저장된 양자정보가 손상된다.

그래서 많은 양자컴퓨터는 매우 낮은 온도와 외부 진동 및 전자기적 잡음을 줄인 환경에서 작동한다.

큐비트란 무엇일까?

일반 컴퓨터의 정보 단위는 비트다.

비트 하나는 0이나 1 가운데 하나의 값을 가진다. 반면 양자컴퓨터의 기본 정보 단위인 큐비트(qubit)는 0과 1 상태의 중첩으로 표현될 수 있다.

이를 “큐비트가 언제나 0과 1을 동시에 정답으로 가진다”고 단순하게 설명하면 부족하다. 큐비트에는 각 상태의 확률진폭과 상대적인 위상 정보가 포함된다.

양자 알고리즘은 이 진폭들이 서로 간섭하도록 정교하게 조작한다. 원하는 답에 해당하는 진폭은 커지고 원하지 않는 답의 진폭은 작아지도록 설계하는 것이다.

마지막에 큐비트를 측정하면 일반적인 0 또는 1의 결과를 얻게 된다.

양자컴퓨터는 모든 계산을 빠르게 할까?

그렇지 않다.

양자컴퓨터는 특정한 문제에서 특별한 계산상의 이점을 가질 가능성이 있다. 하지만 문서 작성, 동영상 시청, 일반적인 계산까지 모두 기존 컴퓨터보다 빠른 만능 기계는 아니다.

현재 연구되는 주요 활용 분야에는 다음과 같은 것들이 있다.

• 분자와 물질의 양자 상태 모의실험
• 일부 최적화 문제 연구
• 암호와 보안 연구
• 특정 수학 문제
• 신약과 촉매 후보 탐색

양자 시뮬레이터는 기존 컴퓨터로 계산하기 어려운 물질과 화학반응 연구에 활용될 가능성이 있다. 

양자 간섭이란 무엇일까?

양자 중첩에 포함된 여러 가능성은 서로 영향을 줄 수 있다. 이를 양자 간섭이라고 한다.

물결 두 개가 만나면 높이가 더 커지기도 하고 서로를 상쇄해 낮아지기도 한다. 양자 상태의 확률진폭도 이와 비슷하게 강화되거나 상쇄될 수 있다.

이중슬릿 실험에서 생기는 밝고 어두운 무늬도 양자 간섭의 결과다.

양자컴퓨터 역시 단순히 많은 가능성을 한꺼번에 계산하는 데서 끝나지 않는다. 올바른 결과의 진폭은 강화하고 잘못된 결과의 진폭은 상쇄하도록 간섭을 조절하는 것이 중요하다.

양자장과 가상입자는 무엇일까?

현대 물리학은 입자를 우주 공간을 날아다니는 아주 작은 구슬로만 보지 않는다.

양자장론에서는 공간 전체에 여러 종류의 장이 존재하며, 우리가 입자라고 부르는 것은 해당 장의 양자화된 들뜸으로 이해한다.

잔잔한 호수에 파문이 생기는 모습을 떠올릴 수 있다. 다만 실제 양자장은 물로 이루어진 호수와 동일한 물질이 아니며, 비유는 개념을 이해하기 위한 도구일 뿐이다.

전자는 전자장의 들뜸이고, 광자는 전자기장의 양자라고 설명할 수 있다.

가상입자에 대한 오해

가상입자는 입자물리학 계산 과정에서 내부 상호작용을 표현할 때 등장하는 수학적 개념이다.

“빈 공간에서 실제 입자가 에너지를 빌려 잠시 나타났다가 사라진다”는 설명이 자주 사용되지만 지나치게 문자 그대로 받아들이면 오해가 생긴다.

가상입자는 검출기에서 자유로운 실제 입자처럼 직접 관측되는 대상과는 다르다. 복잡한 상호작용을 계산하는 이론적 표현 안에서 등장한다.

양자 진공이란 무엇일까?

진공이라고 하면 아무것도 존재하지 않는 완전한 빈 공간을 떠올린다.

하지만 양자장론의 진공은 단순한 무가 아니다. 각 양자장이 가질 수 있는 가장 낮은 에너지 상태다.

가장 낮은 상태에서도 양자적 요동과 상관관계가 존재할 수 있다. 그렇다고 진공을 무한한 무료 에너지 창고로 이용할 수 있다는 뜻은 아니다.

양자 진공에 관한 과학적 개념이 영구기관이나 무한동력의 증거로 사용되는 경우가 있지만, 현재 확립된 물리학은 그런 장치의 가능성을 인정하지 않는다.

양자역학의 해석에는 무엇이 있을까?

양자역학은 실험 결과를 매우 정확하게 예측한다. 그러나 그 수학이 현실에 대해 무엇을 말하는지를 두고 여러 해석이 존재한다.

코펜하겐 계열 해석

측정 전에는 양자 상태가 여러 가능성을 담고 있으며, 측정에서 특정 결과가 나타난다고 설명한다. 교과서에서 가장 자주 접하는 방식이다.

다세계 해석

측정에서 파동함수가 실제로 붕괴하지 않고 가능한 결과들이 서로 다른 가지에서 전개된다고 본다.

다세계 해석이 평행우주의 존재를 실험으로 직접 확인했다는 뜻은 아니다. 양자역학의 수학을 해석하는 방법 가운데 하나다.

보hm 이론

입자가 실제 위치를 가지고 있으며 파동함수가 그 움직임을 안내한다고 보는 해석이다. 비국소적인 특성을 포함한다.

객관적 붕괴 이론

특정한 물리 조건에서 파동함수의 붕괴가 실제로 일어난다고 제안한다. 기존 양자역학과 다른 결과를 예측할 수 있어 실험적 검증 대상이 된다.

현재 어떤 해석이 최종적인 현실 설명인지 과학계의 완전한 합의는 없다. 중요한 점은 해석과 검증된 실험 결과를 구분하는 것이다.

꼭 기억해야 할 양자역학 기본 용어 모음

용어쉬운 뜻

양자	물리량이 정해진 단위로 나뉘어 나타나는 성질 또는 단위
광자	빛을 이루는 에너지의 양자
파동-입자 이중성	양자 대상이 실험 조건에 따라 파동과 입자 성질을 보이는 현상
파동함수	양자 상태와 측정 가능성에 관한 정보를 담은 수학적 표현
확률밀도	특정 영역에서 입자를 발견할 가능성이 얼마나 집중됐는지 나타내는 값
중첩	여러 가능한 상태가 하나의 양자 상태로 결합된 것
측정	양자계와 장치가 상호작용해 결과가 기록되는 과정
파동함수 붕괴	측정 결과에 맞게 양자 상태의 표현이 바뀌는 과정
불확정성 원리	특정 물리량의 쌍을 동시에 무한히 정확하게 정할 수 없다는 원리
스핀	입자가 가진 고유한 양자적 성질
얽힘	여러 입자를 독립적으로 설명할 수 없는 공동 양자 상태
벨 부등식	국소적 숨은 변수 이론이 허용하는 상관관계의 한계
터널링	입자가 고전적으로 넘기 어려운 장벽 반대편에서 발견되는 현상
에너지 준위	양자계에 허용된 특정한 에너지 상태
바닥상태	양자계가 가질 수 있는 가장 낮은 에너지 상태
들뜬상태	에너지를 받아 바닥상태보다 높아진 상태
결맞음	중첩된 상태 사이의 위상 관계가 유지되는 성질
결어긋남	환경과의 상호작용으로 양자적 결맞음이 사라지는 과정
큐비트	양자컴퓨터에서 사용하는 양자정보의 기본 단위
양자 간섭	여러 가능성의 확률진폭이 강화되거나 상쇄되는 현상
양자장	입자를 장의 양자화된 들뜸으로 설명하는 이론적 대상
양자 진공	양자장이 가질 수 있는 가장 낮은 에너지 상태

양자역학에 관한 대표적인 오해 7가지

오해 1. 양자는 세상에서 가장 작은 입자다

양자는 특정 입자 하나의 이름이 아니다. 물리량이 불연속적인 단위로 나타나는 개념을 포함한다.

오해 2. 사람이 쳐다보면 현실이 바뀐다

양자역학의 관측은 인간의 의식이 아니라 측정장치 및 환경과의 물리적 상호작용을 뜻한다.

오해 3. 불확정성은 장비가 부정확해서 생긴다

측정장비의 오차와 별개로 양자 상태 자체에 근본적인 불확정성이 존재한다.

오해 4. 얽힘을 이용하면 빛보다 빠르게 대화할 수 있다

얽힘은 강한 상관관계를 만들지만 통제된 정보를 초광속으로 전달하지 못한다.

오해 5. 터널링은 입자가 에너지를 빌려 벽을 부수는 현상이다

터널링은 파동함수와 장벽 통과 확률로 설명되는 양자 현상이다.

오해 6. 양자컴퓨터는 모든 컴퓨터를 대체한다

양자컴퓨터는 특정 문제에서 장점을 기대하는 장치다. 모든 작업을 빠르게 처리하는 만능 컴퓨터는 아니다.

오해 7. 생각만 바꾸면 양자역학으로 현실을 만들 수 있다

현재 검증된 양자역학은 인간의 긍정적인 생각이 외부 현실을 원하는 방향으로 직접 바꾼다는 주장을 지지하지 않는다.

양자역학은 우리 생활과 무슨 관계가 있을까?

양자역학은 실험실 속 작은 입자만을 위한 학문이 아니다.

우리가 사용하는 스마트폰 안의 반도체는 전자의 양자적 성질을 이용한다. 레이저는 원자의 에너지 준위와 빛의 방출 원리를 활용한다. 원자시계는 원자의 정확한 에너지 전이를 이용해 시간을 측정한다.

다음과 같은 기술도 양자역학과 연결돼 있다.

• 반도체
• 레이저
• LED
• 태양전지
• 자기공명영상장치
• 원자시계
• 전자현미경
• 양자센서
• 양자암호
• 양자컴퓨터

우리가 양자 세계를 눈으로 직접 볼 수 없다고 해서 그 세계가 멀리 떨어져 있는 것은 아니다.

지금 이 글을 표시하는 화면, 정보를 처리하는 컴퓨터 칩, 인터넷망에서 사용하는 광통신 기술 안에도 양자역학의 원리가 들어 있다.

 철수의 양자 세계 탐험을 마치며

처음 양자 세계에 들어왔을 때 우리는 이상한 장면을 만났다.

입자는 파동처럼 여러 가능성을 지나갔다. 멀리 떨어진 입자들은 하나의 공동 상태로 연결됐다. 전자는 넘을 수 없어 보이는 장벽 반대편에서 발견됐고, 정확히 알려고 할수록 또 다른 물리량은 불확실해졌다.

하지만 이 모든 현상이 “아무 일이나 가능하다”는 뜻은 아니다.

양자역학에는 매우 정확한 수학적 규칙이 있다. 결과 하나하나는 확률적으로 나타나지만 많은 실험을 반복했을 때 그 분포는 이론의 예측과 놀라울 정도로 일치한다.

양자역학의 진짜 신비는 초능력이나 마음의 힘에 있지 않다.

자연이 인간의 직관과 전혀 다른 방식으로 움직이면서도 정교한 규칙을 따른다는 사실에 있다.

우리는 우주가 어떻게 행동해야 하는지를 정할 수 없다. 대신 실험하고 측정하며 자연이 보여주는 답을 배울 수 있다.

그리고 바로 그 질문에서 새로운 탐험이 시작된다.

양자 중첩과 얽힘까지 살펴본 지금, 여러분이 가장 이해하기 어려웠던 양자역학 용어는 무엇인가요?

자주 묻는 질문

Q1. 양자역학은 실제로 증명됐나요?

양자역학의 여러 예측은 수많은 실험에서 매우 높은 정밀도로 검증됐다. 다만 양자역학의 수학이 현실을 어떻게 해석해야 하는지에 대해서는 여러 견해가 존재한다.

Q2. 전자는 실제로 두 곳에 동시에 있나요?

측정 전 전자의 상태는 여러 위치 가능성의 중첩으로 표현될 수 있다. 그러나 측정하면 특정 결과가 기록된다. 이를 일상적인 물체가 두 장소에 그대로 복제돼 있다는 의미로 이해하면 정확하지 않다.

Q3. 관측하지 않으면 물체가 존재하지 않나요?

양자역학은 인간이 보지 않으면 세상이 사라진다고 말하지 않는다. 관측은 인간의 시선보다 양자계와 측정장치 및 환경 사이의 물리적 상호작용과 관련된다.

Q4. 양자 얽힘은 순간이동인가요?

얽힘 자체는 물질이 한 장소에서 다른 장소로 사라졌다가 나타나는 현상이 아니다. 양자 순간이동은 얽힘과 고전적 통신을 이용해 양자 상태의 정보를 다른 위치로 전달하는 기술이며, 물체 자체를 순간적으로 이동시키는 공상과학식 순간이동과 다르다.

Q5. 양자컴퓨터는 언제 가정에서 사용할 수 있을까요?

현재 양자컴퓨터는 연구기관과 기업의 특수 장비로 개발되고 있다. 가까운 미래에도 일반 가정용 컴퓨터를 그대로 대체하기보다 특정 계산을 수행하는 전문 시스템이나 온라인 서비스 형태로 활용될 가능성이 크다.

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전자는 정말 두 곳에 동시에 있을까? 양자 중첩 60초 정리

60초 내레이션 예시

전자 한 개가 두 개의 문 앞에 있습니다.

우리의 상식으로는 왼쪽이나 오른쪽, 한쪽 문만 통과해야 합니다.

그런데 양자 세계의 전자는 측정하기 전까지 여러 경로의 가능성이 결합된 중첩 상태로 표현됩니다.

이것은 전자가 여러 개로 복사됐다는 뜻이 아닙니다.

여러 가능성의 확률진폭이 서로 간섭할 수 있는 하나의 양자 상태라는 뜻입니다.

그리고 어느 경로로 갔는지 측정하면 간섭은 사라지고 특정한 결과가 기록됩니다.

사람의 마음이 현실을 바꾼 것이 아닙니다. 측정장치와 전자가 물리적으로 상호작용했기 때문입니다.

작지만 상식을 뒤집는 세계, 이것이 양자역학입니다.

철수와 떠나는 과학여행 구독 안내

오늘은 양자역학의 기본 용어를 따라 아주 작은 세계를 여행했습니다.

다음 과학여행에서는 양자 얽힘으로 정보를 전달하는 ‘양자 순간이동’과 양자컴퓨터가 기존 컴퓨터와 어떻게 다른지 더욱 쉽게 살펴보겠습니다.

우주와 인체, AI와 양자역학처럼 어렵지만 궁금한 과학 이야기를 놓치고 싶지 않다면 철수와 떠나는 과학여행을 구독해 주세요.

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※ 본문 일부 이미지는 과학적 내용을 쉽게 이해하도록 AI 이미지 생성 도구로 제작한 시각 자료이며, 실제 촬영 사진이나 연구 원본이 아님.