새로운 연구가 양자도약이 즉각적이고 예측할 수 없다는 오래된 믿음에 의문을 제기했다.

‘슈뢰딩거(Schrödinger)의 고양이’는 양자중첩 상태가 관측하는 순간 하나의 상태로 확정된다 코펜하겐 해석이 불완전함을 보이기 위해 에르빈 슈뢰딩거가 고안한 사고실험이다.

슈뢰딩거의 고양이 상태는 양자중첩 상태에 있거나 관측에 따라 죽거나 살았을 가능성도 있다. 이 처럼 즉각적이거나 예측할 수 없는 양자 전환에 대한 경고 신호를 발견했다고 과학자들은 말한다. 그 결과 슈뢰딩거 고양이의 운명은 극히 잛은 순간이나마 미리 예측할 수 있을 뿐만 아니라 진행 중에도 역전될 수 있다.

슈레딩거 고양이는 양자 이론의 핵심 난제를 요약하고 있다. 이 아이디어는 상자 안에 있는 방사성 물질의 원자가 붕괴되면 방출되는 독이 든 상자에 든 고양이를 중심으로 전개된다. 그러나 방사능 붕괴가 일어났는지 여부, 따라서 고양이가 죽었는지 살았는지는 상자를 들여다봐야 알 수 있다. 그 시점까지 고양이는 동시에 죽기도 하고 살아 있기도 하다.

양자도약(quantum jump)은 상태가 관찰될 때, 즉 누군가가 고양이가 든 상자를 열었을 때의 이산적이며 비연속적이고 무작위적인 변화다. 예일대(Yale University) 연구원들은 점프를 예상하고 실시간으로 행동함으로써 슈뢰딩거의 고양이를 붙잡아 저장하는 방법을 알아냈다.

3일 네이처에 게재된 양자도약 작동에 대한연구(To catch and reverse a quantum jump mid-flight)는 예일대 마이클 드보렛(Michel Devoret) 교수 연구실에서 수행했다.

과학자들은 실험 결과, 덴마크 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)의 견해와 달리 양자 도약이 갑작스럽지 않고 무작위적이지 않다는 가능성에 주목했다. 연구팀은 양자도약이 큐비트(qubit)의 한 이산 에너지 상태에서 또 다른 상태로의 갑작스러운 전환이라고 말한다.

상자가 열리면 고양이가 죽거나 사는 과정이 있으며 그 관측이 시작될 때 조기 경보 신호가 표시된다. 핵심 부분은 슈레딩거 고양이가 죽다가 살수도 있다는 것을 의미하는 전환, 즉 중간에서 양자도약이 반전 될 수도 있다는 설명이.

공동저자 오클랜드대(University of Auckland)의 하워드 카미셀(Howard Carmichael) 교수 연구에서 영감을 얻은 이 발견은 또한 양자 정보의 이해와 통제에 있어서 잠재적으로 중요한 발견일 수 있다. 유용한 양자컴퓨터를 개발하기 위해 양자 데이터를 안정적으로 관리하고 오류를 수정하는 것이 중요하다는 점에 주목했다.

연구팀은 3개 에너지 준위를 가진 원자를 모방한 전기 회로가 포함된 실험 설정을 사용해 절대 영도 이상의 온도로 냉각하고 알루미늄 상자에 넣어 마이크로파를 조사했다. 알루미늄으로 만든 3D 공동에 둘러싸인 원자를 조사하는 마이크로파 발생기를 사용해 간접적으로 초전도 인공원자를 모니터링했다.

마이크로파 빔이 양자도약를 위한 에너지를 제공, 이 작은 신호는 실온으로 손실없이 증폭돼 다른 과학자들은 실시간으로 상황을 모니터링 했다. 그들은 원자가 흥분되거나 에너지를 잃어 버렸을 때 양자도약을 감지 할 수 있었다.

연구팀은 실험에서 보어(Bohr) 제안처럼 양자 도약이 에너지 레벨 사이의 급격한 도약이 아니라 활공에 가까운 점진적 전환(transitional more transition)을 보여 주었다. 연구팀은 또한 양자도약에서 전이의 지속 시간과 특성이 일정하다는 것을 발견했다.

제1저자로 참여한 예일대 클라코 미네브(Zlatko Minev)는 이 연구가 양자컴퓨팅에 가치 있다고 말했다. 양자 컴퓨터에서 양자 점프가 발생하면 계산에 오류가 발생할 수 있다. 비록 많은 연구가 이러한 오류를 탐지하고 수정하려고하고 있지만, 새로운 연구는 오류가 발생할 때를 찾아내고 예방할 수 있는 가능성을 제기했다는 설명이다.

슈뢰딩거 사고실험 모식도. credit:Dhatfield

*슈뢰딩거의 고양이

슈뢰딩거의 고양이는 1935년에 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinge) 가 양자역학(코펜하겐 해석)의 불완전함을 보이기 위해서 고안한 사고 실험이다. 고양이가 상자 속에 갇혀 있다. 이 상자에는 방사성 핵이 들어 있는 기계와 독가스가 들어 있는 통이 연결되어 있다. 실험을 시작할 때 한 시간 안에 핵이 붕괴할 확률을 50%가 되도록 해 놓는다. 만약 핵이 붕괴하면, 통이 붕괴한 핵에서 방출된 입자를 검출해서 독가스를 내 놓아 고양이를 죽인다. 슈뢰딩거는 이 상황에서 파동함수의 표현이 고양이가 살아있는 상태와 죽은 상태의 결합으로 나타나는 것을 비판하며 “죽었으며 동시에 살아 있는 고양이”가 진짜로 존재하지 않음에서 양자역학이 불완전하며 현실적이지 않다고 생각했다. 고양이는 반드시 살아있거나 죽은 상태여야 하기 때문에(그 둘 사이의 어디쯤이 아닌), 양성자 역시 붕괴했거나 붕괴하지 않았거나 둘 중 하나라는 것이다.

*코펜하겐 해석

코펜하겐 해석(영어: Copenhagen interpretation)은 양자역학에 대한 다양한 해석 중의 하나로 닐스 보어와 베르너 하이젠베르크 등에 의한 정통해석으로 알려져 있다. 이는 그 논의의 중심이었던 코펜하겐의 지명으로부터 이름이 붙여진 것이며, 20세기 전반에 걸쳐 가장 영향력이 컸던 해석으로 꼽힌다

쉽게 말해서 전자를 예로 들면 전자의 상태를 서술하는 파동함수는 측정되기 전에는 여러 가지 상태가 확률적으로 겹쳐있는 것으로 표현된다. 하지만 관측자가 전자에 대한 측정을 시행하면 그와 동시에 ‘파동함수의 붕괴(collapse of wavefunction)’가 일어나 전자의 파동함수는 겹침상태가 아닌 하나의 상태로만 결정된다는 것이다.

일반적으로 받아들여지는 코펜하겐 해석에 따르면, 이 실험에서는 관측자가 상자를 여는 동시에 상태가 고정된다. 즉 대상에 대한 관측 행위가 대상의 상태를 결정한다는 것이다.