양자 중첩과 큐비트 측정 원리, 색이 바뀌는 양자 장갑 사고실험으로 쉽게 이해하기

핵심 메시지

• 슈뢰딩거의 고양이는 관측하기 전까지 상태가 정해져 있지 않고, 관측자가 상태를 확정짓는다는 주장을 담은 사고실험이다.
• 동전처럼 '이미 정해졌는데 내가 모를 뿐'인 상황과 진짜 중첩을 구별하려면 다른 실험이 필요한데, 그것이 양자 장갑 실험이다.
• 큐비트는 켜짐과 꺼짐 사이 어느 값이든 될 수 있고, 블로흐 구 위의 한 점으로 표현하면 측정 결과의 확률이 높이로 드러난다.
• 측정은 구 위에 정반대로 놓인 두 자석이 점을 끌어당기는 일에 비유되며, 어떤 축에 자석을 놓느냐가 곧 측정 기준(기저)이다.
• 색을 재고 방향을 재고 다시 색을 재면 처음 결과가 무너지는데, 한 측정이 다른 측정을 망가뜨린다는 이 사실이 중첩을 가정하게 만든다.

쉽게 이해하기

빨간 장갑을 확인한 뒤 손을 넣어 오른손용인지 왼손용인지 알아보고, 다시 색을 보니 파란색이 되어 있다. 현실에서는 벌어질 수 없는 일이지만 양자 세계에서는 이런 현상이 가능하다. 루이스 세라노는 이 '색이 바뀌는 양자 장갑'을 통해 중첩이 단순한 무지의 다른 이름이 아니라는 점을 설명한다.

출발점은 슈뢰딩거의 고양이다. 상자 안 고양이의 생사가 방사성 붕괴 같은 무작위 사건에 걸려 있을 때, 슈뢰딩거는 고양이가 죽어 있거나 살아 있는 것이 아니라 두 상태의 중첩에 있다고 말했다. 관측자는 결과를 알아내는 수동적 존재가 아니라 우주가 상태를 정하도록 만드는 능동적 존재라는 것이다. 그러나 동전을 던져 놓고 보지 않았을 때처럼, 이미 결과가 정해져 있는데 내가 모를 뿐이라는 설명도 가능해 보인다. 게다가 한 번 확인한 결과는 다시 봐도 그대로이니 중첩을 가정할 이유가 약해진다.

여기서 장갑 실험이 등장한다. 상자 안 장갑은 빨강 또는 파랑이면서 오른손 또는 왼손일 수 있어 네 가지 경우가 가능하다. 다만 색과 방향을 동시에 볼 수는 없다. 구멍을 내어 색만 보거나, 눈을 감고 손을 넣어 방향만 확인할 수 있다. 색을 봐서 빨강임을 확인하고, 손을 넣어 오른손임을 확인한 뒤, 다시 색을 보면 파랑이 나온다. 앞선 관측이 뒤의 관측에 의해 무너진 것이다.

이 현상을 설명하기 위해 영상은 큐비트를 소개한다. 일반적인 비트가 켜짐과 꺼짐 둘 중 하나인 스위치라면, 큐비트는 그 사이 어떤 값도 될 수 있는 조절기에 가깝다. 더 정확히는 구면 위의 한 점으로 표현되는데, 이를 블로흐 구라고 부른다. 북극은 한쪽 상태, 남극은 다른 쪽 상태이고, 점이 북극에 가까울수록 그 결과가 나올 확률이 높다. 적도 위에 있으면 반반의 중첩이다.

장갑의 수수께끼는 이 지점에서 풀린다. 위아래 축이 색을, 좌우 축이 손 방향을 나타낸다고 하자. 색을 재면 점이 위나 아래로 끌려가 색이 확정되지만, 이어서 좌우 축으로 방향을 재면 점이 좌우로 끌려가면서 색은 다시 반반의 중첩으로 되돌아간다. 그래서 다시 색을 보면 절반의 확률로 파랑이 나온다. 서로 다른 기준으로 번갈아 측정하면 한 관측이 다른 관측을 망가뜨리고, 결국 장갑을 처음부터 정해진 빨간 오른손 장갑으로 여길 수 없게 된다. 관측자가 생각보다 훨씬 능동적인 존재라는 결론이 여기서 나온다.

주요 인사이트

• 중첩이 진짜인지 따지는 열쇠는 '한 번 재고 또 재도 같은가'가 아니라 '다른 기준으로 재면 앞의 결과가 유지되는가'에 있다.
• 측정은 정보를 읽어내는 중립적 행위가 아니라 상태를 특정 축으로 끌어당기는 개입이다. 무엇을 알아냈는지만큼 무엇을 망가뜨렸는지가 중요하다.
• 큐비트를 구면 위의 점으로 그리면, 확률과 측정 기준이라는 두 개념이 높이와 축이라는 눈에 보이는 형태로 정리된다.
• 동전 비유가 부족한 이유는 동전에는 서로 어긋나는 두 개의 측정 기준이 없기 때문이다. 양자적 기묘함은 기준이 여럿일 때 드러난다.

자주 묻는 질문

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