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양자 중첩

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1. 개요

양자 중첩은 양자역학에서 계의 상태가 여러 가능한 상태들의 선형 결합으로 존재하는 현상을 의미한다. 이는 파동 함수의 선형 결합으로 표현되며, 간섭 효과를 나타낸다. 양자 중첩은 고전역학적 국소 실재론과 양립하지 않는 확률 분포를 생성하며, 벨의 부등식 등을 통해 실험적으로 검증되었다. 임의의 양자 상태는 에르미트 연산자의 고유 상태들의 중첩으로 나타낼 수 있으며, 위치, 운동량, 에너지 등 다양한 물리량의 중첩으로 표현될 수 있다. 이러한 중첩은 디랙 브라-켓 표기법을 사용하여 간결하게 나타낼 수 있으며, 큐비트의 중첩을 통해 양자 컴퓨터에 활용된다. 실험적으로는 분자, 이온, 초전도 회로 등 다양한 시스템에서 중첩 상태가 관찰되었으며, 식물의 에너지 수송에도 관여하는 것으로 밝혀졌다.

2. 정의

양자역학에서, 계의 상태는 상태 벡터 |\psi \rangle (혹은 파동 함수 \psi)로 기술된다. 상태 |\psi_1\rangle와 다른 상태 |\psi_2\rangle로 다음과 같은 상태 |\psi'\rangle를 만들 수 있다.

:|\psi'\rangle= c_1 |\psi_1\rangle + c_2 |\psi_2\rangle

여기서 c_1, c_2복소수이다. 이러한 상태 벡터의 선형 결합을 '''중첩'''이라고 한다. 양자역학에서 물리량(관측가능량, 옵저버블) A는 상태 벡터(혹은 파동 함수)에 작용하는 에르미트 연산자 \hat{A}로 기술된다.

상태 |\psi_1\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle가 된다. 마찬가지로 상태 |\psi_2\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle가 된다.

양자역학에서 중첩하여 만들어진 상태 |\psi'\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값 \langle\psi'|\hat{A}|\psi'\rangle\langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle\langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle의 선형 결합으로는 나타낼 수 없다. 이것을 “'''간섭 효과'''”라고 부른다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

\ne |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle



실제로는 “'''간섭항'''”이라고 불리는 여분의 항이 붙는다.(다음 후반의 2항)

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

= |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle

+ c_1^* c_2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_2 \rangle

+ c_2^* c_1 \langle \psi_2 | \hat{A} | \psi_1 \rangle



또한, 고전역학적인 국소 실재론과는 양립하지 않는 확률 분포를 생성하는 중첩 상태도 있다. 그러한 상태의 존재도 벨의 부등식, 그린버거-혼-차일링거 상태 등의 고찰을 통해 실험으로 검증되고 있다. 또한, 양자 컴퓨터에서는 그러한 비고전적인 중첩을 적극적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

중첩과 혼동하기 쉬운 것으로 혼합 상태가 있다. 상태 1과 상태 2를 “혼합한 상태”의 기댓값은 상태 1의 기댓값과 상태 2의 기댓값의 선형 결합으로 나타낼 수 있다. 즉, 혼합한 경우에는 양자적인 간섭이 일어나지 않는다. 또한 간섭이 일어나지 않는 중첩도 있으며, 이 경우에는 중첩에 의해 혼합 상태가 만들어진다. 이것을 초선택 규칙이 있다고 한다.

3. 성질

양자역학에서, 계의 상태는 상태 벡터 |\psi \rangle (혹은 파동 함수 \psi)로 기술된다. 상태 |\psi_1\rangle와 다른 상태 |\psi_2\rangle선형 결합하여 다음과 같은 상태 |\psi'\rangle를 만들 수 있다.

:|\psi'\rangle= c_1 |\psi_1\rangle + c_2 |\psi_2\rangle

여기서 c_1, c_2복소수이다. 이러한 상태 벡터의 선형 결합을 '''중첩'''이라고 한다. 양자역학에서 물리량(관측가능량, 옵저버블) A는 상태 벡터(혹은 파동 함수)에 작용하는 에르미트 연산자 \hat{A}로 기술된다.

상태 |\psi_1\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle가 된다. 마찬가지로 상태 |\psi_2\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle가 된다.

양자역학에서 중첩하여 만들어진 상태 |\psi'\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값 \langle\psi'|\hat{A}|\psi'\rangle\langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle\langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle의 선형 결합으로는 나타낼 수 없다. 이것을 “'''간섭 효과'''”라고 부른다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

\ne |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle



실제로는 “'''간섭항'''”이라고 불리는 여분의 항(다음 식의 뒤쪽 두 항)이 붙는다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

= |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle

+ c_1^* c_2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_2 \rangle

+ c_2^* c_1 \langle \psi_2 | \hat{A} | \psi_1 \rangle



또한, 고전역학적인 국소 실재론과는 양립하지 않는 확률 분포를 생성하는 중첩 상태도 있다. 그러한 상태의 존재는 벨의 부등식, 그린버거-혼-차일링거 상태 등의 고찰을 통해 실험으로 검증되고 있다. 양자 컴퓨터에서는 그러한 비고전적인 중첩을 적극적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

중첩과 혼동하기 쉬운 것으로 혼합 상태가 있다. 상태 1과 상태 2를 “혼합한 상태”의 기댓값은 상태 1의 기댓값과 상태 2의 기댓값의 선형 결합으로 나타낼 수 있다. 즉, 혼합한 경우에는 양자적인 간섭이 일어나지 않는다. 또한 간섭이 일어나지 않는 중첩도 있으며, 이 경우에는 중첩에 의해 혼합 상태가 만들어진다. 이것을 초선택 규칙이 있다고 한다.

4. 이론

양자역학에서 계의 상태는 상태 벡터 |\psi \rangle (혹은 파동 함수 \psi)로 기술된다. 서로 다른 상태 |\psi_1\rangle|\psi_2\rangle선형 결합하여 다음과 같은 새로운 상태 |\psi'\rangle를 만들 수 있다.

:|\psi'\rangle= c_1 |\psi_1\rangle + c_2 |\psi_2\rangle

여기서 c_1, c_2복소수이다. 이러한 상태 벡터의 선형 결합을 '''중첩'''이라고 한다.

양자역학에서 물리량(관측가능량, 옵저버블) A는 상태 벡터(혹은 파동 함수)에 작용하는 에르미트 연산자 \hat{A}로 기술된다. 상태 |\psi_1\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle가 되고, 상태 |\psi_2\rangle에서는 \langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle가 된다.

하지만 중첩된 상태 |\psi'\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값 \langle\psi'|\hat{A}|\psi'\rangle\langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle\langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle의 선형 결합으로 나타낼 수 없다. 이를 “'''간섭 효과'''”라고 부른다.[1]

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

\ne |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle



실제로는 “'''간섭항'''”이라고 불리는 항이 추가되어 다음과 같이 표현된다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

= |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle

+ c_1^* c_2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_2 \rangle

+ c_2^* c_1 \langle \psi_2 | \hat{A} | \psi_1 \rangle



고전역학적인 국소 실재론과는 양립하지 않는 확률 분포를 생성하는 중첩 상태도 존재한다. 이러한 상태는 벨의 부등식, 그린버거-혼-차일링거 상태 등의 고찰을 통해 실험적으로 검증되었다.

양자 컴퓨터는 이러한 비고전적인 중첩을 적극적으로 활용한다.

혼합 상태는 중첩과 혼동될 수 있지만, 혼합 상태의 기댓값은 각 상태의 기댓값의 선형 결합으로 나타낼 수 있으며, 양자적 간섭이 일어나지 않는다. 간섭이 일어나지 않는 중첩도 있는데, 이 경우 중첩은 초선택 규칙에 의해 혼합 상태를 생성한다.

4. 1. 일반 형식

임의의 양자 상태는 에르미트 연산자의 고유 상태의 합 또는 중첩으로 나타낼 수 있다. 고유 상태가 완전한 기저를 형성하기 때문이다.

:|\alpha\rangle = \sum_n c_n |n\rangle,

여기서 |n\rangle는 해밀토니안의 에너지 고유 상태이다. 위치 고유 상태와 같은 연속 변수 |x\rangle의 경우 다음과 같다.

:|\alpha \rangle = \int dx' |x'\rangle \langle x'|\alpha \rangle,

여기서 \phi_\alpha(x) = \langle x| \alpha \rangle|x\rangle 기저로의 상태 투영이며 입자의 파동 함수라고 한다. 두 경우 모두 |\alpha\rangle를 무한히 많은 기저 상태의 중첩으로 확장할 수 있음을 알 수 있다.

양자역학에서 계의 상태는 상태 벡터 |\psi \rangle (혹은 파동 함수 \psi)로 기술된다. 상태 |\psi_1\rangle와 다른 상태 |\psi_2\rangle로 다음과 같은 상태 |\psi'\rangle를 만들 수 있다.

:|\psi'\rangle= c_1 |\psi_1\rangle + c_2 |\psi_2\rangle

여기서 c_1, c_2복소수이다. 이러한 상태 벡터의 선형 결합을 '''중첩'''이라고 한다.

양자역학에서 물리량(관측가능량, 옵저버블) A는 상태 벡터(혹은 파동 함수)에 작용하는 에르미트 연산자 \hat{A}로 기술된다. 상태 |\psi_1\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle가 된다. 마찬가지로 상태 |\psi_2\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값은 \langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle가 된다.

양자역학에서 중첩하여 만들어진 상태 |\psi'\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값 \langle\psi'|\hat{A}|\psi'\rangle\langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle\langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle의 선형 결합으로는 나타낼 수 없다. 이것을 “'''간섭 효과'''”라고 부른다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

\ne |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle



실제로는 “'''간섭항'''”이라고 불리는 여분의 항이 붙는다.

:

\langle \psi' | \hat{A} | \psi' \rangle

= |c_1|^2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_1 \rangle

+ |c_2|^2 \langle \psi_2 | \hat{A}| \psi_2 \rangle

+ c_1^* c_2 \langle \psi_1 | \hat{A} | \psi_2 \rangle

+ c_2^* c_1 \langle \psi_2 | \hat{A} | \psi_1 \rangle



또한, 고전역학적인 국소 실재론과는 양립하지 않는 확률 분포를 생성하는 중첩 상태도 있다. 그러한 상태의 존재는 벨의 부등식, 그린버거-혼-차일링거 상태 등의 고찰을 통해 실험으로 검증되고 있다.

양자 컴퓨터에서는 그러한 비고전적인 중첩을 적극적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

중첩과 혼동하기 쉬운 것으로 혼합 상태가 있다. 상태 1과 상태 2를 “혼합한 상태”의 기댓값은 상태 1의 기댓값과 상태 2의 기댓값의 선형 결합으로 나타낼 수 있다. 즉, 혼합한 경우에는 양자적인 간섭이 일어나지 않는다. 간섭이 일어나지 않는 중첩도 있으며, 이 경우에는 중첩에 의해 혼합 상태가 만들어진다. 이것을 초선택 규칙이 있다고 한다.

4. 2. 파동 가정

양자역학 이론은 파동 방정식이 모든 시간에 양자계의 상태를 완전히 결정한다고 가정한다. 더욱이, 이 미분 방정식은 선형이자 동차로 제한된다. 이러한 조건은 파동 방정식의 두 해 \Psi_1\Psi_2에 대해, 그 해들의 선형 결합 또한 파동 방정식을 만족한다는 것을 의미한다.[1]

:\Psi = c_1\Psi_1 + c_2\Psi_2

여기서 c_1c_2는 임의의 복소수 계수이다. 파동 방정식이 두 개 이상의 해를 갖는 경우, 모든 그러한 해들의 결합 또한 유효한 해이다.

4. 3. 변환

양자 파동 방정식은 위치의 함수 \Psi(\vec{r})를 사용하거나 운동량의 함수 \Phi(\vec{p})를 사용하여 풀 수 있으며, 따라서 운동량 함수의 중첩도 해가 된다.

\Phi(\vec{p}) = d_1\Phi_1(\vec{p}) + d_2\Phi_2(\vec{p})

위치와 운동량 해는 선형 변환푸리에 변환에 의해 관련되어 있다. 이 변환 자체가 양자 중첩이며, 모든 위치 파동 함수는 운동량 파동 함수의 중첩으로 나타낼 수 있고 그 반대도 마찬가지이다. 이러한 중첩에는 무한히 많은 성분파가 포함된다.[1]

4. 4. 기저 상태로의 일반화

다른 변환들은 양자 해를 각각 양자계에 대한 측정의 가능한 결과에 해당하는 고유벡터들의 중첩으로 표현한다. 수학적 연산자 \hat{A}에 대한 고유벡터 \psi_i는 다음 방정식을 가진다.

\hat{A}\psi_i = \lambda_i\psi_i

여기서 \lambda_i는 관측 가능한 A에 대한 하나의 가능한 측정된 양자 값이다. 이러한 고유벡터들의 중첩은 임의의 해를 나타낼 수 있다.

\Psi = \sum_n a_i\psi_i.

\psi_i와 같은 상태를 기저 상태라고 한다.

4. 5. 예시: 슈뢰딩거 방정식

:\hat H |n\rangle = E_n |n\rangle

에서 |n\rangle는 에너지 고유값 E_n을 갖는 해밀토니안의 고유 상태 집합을 나타낸다. 이를 통해 다음을 즉시 알 수 있다.

:\hat H\big(|n\rangle + |n'\rangle\big) = E_n |n\rangle + E_{n'} |n'\rangle

여기서

:|\Psi\rangle = |n\rangle + |n'\rangle

는 슈뢰딩거 방정식의 해이지만, 일반적으로 E_nE_{n'}이 같지 않기 때문에 고유 상태는 아니다. |\Psi\rangle는 에너지 고유 상태의 중첩으로 이루어져 있다고 말한다.

이제 스핀 업 또는 스핀 다운을 갖는 전자의 더 구체적인 경우를 고려해 보자. 이제 \hat z 기저에서 스피너를 사용하여 고유 상태에 색인을 붙인다.

:|\Psi\rangle = c_1 |{\uparrow}\rangle + c_2 |{\downarrow}\rangle

여기서 |{\uparrow}\rangle|{\downarrow}\rangle는 각각 스핀 업 및 스핀 다운 상태를 나타낸다. 복소 계수의 크기는 전자가 각각의 확정된 스핀 상태에서 발견될 확률을 제공한다.

: P\big(|{\uparrow}\rangle\big) = |c_1|^2

: P\big(|{\downarrow}\rangle\big) = |c_2|^2

: P_\text{total} = P\big(|{\uparrow}\rangle\big) + P\big(|{\downarrow}\rangle\big) = |c_1|^2 + |c_2|^2 = 1

여기서 스핀 업 또는 스핀 다운을 갖는 입자를 발견할 확률은 1로 정규화된다. c_1c_2는 복소수이므로

:|\Psi\rangle = \frac{3}{5} i |{\uparrow}\rangle + \frac{4}{5} |{\downarrow}\rangle

는 허용되는 상태의 예이다. 이제 다음을 얻는다.

:P\big(|{\uparrow}\rangle\big) = \left|\frac{3i}{5}\right|^2 = \frac{9}{25}

:P\big(|{\downarrow}\rangle\big) = \left|\frac{4}{5}\right|^2 = \frac{16}{25}

:P_\text{total} = P\big(|{\uparrow}\rangle\big) + P\big(|{\downarrow}\rangle\big) = \frac{9}{25} + \frac{16}{25} = 1

위치와 스핀을 모두 갖는 큐비트를 고려하면, 상태는 두 가지 모두에 대한 모든 가능성의 중첩이다.

:

\Psi = \psi_+(x) \otimes |{\uparrow}\rangle + \psi_-(x) \otimes |{\downarrow}\rangle



여기서 일반적인 상태 \Psi는 위치 공간 파동 함수와 스피너의 텐서곱의 합이다.

5. 간결한 표기법

양자계 해에 대한 중요한 수학적 연산은 중첩된 함수의 세부 사항을 무시하고 중첩의 계수만을 사용하여 수행할 수 있다. 이는 디랙 브라-켓 표기법으로 표현되는 양자계로 이어진다.[1]

:|v\rangle = d_1|1\rangle + d_2|2\rangle

이 방법은 고전적인 좌표의 아날로그가 없는 양자 스핀과 같은 계에 특히 효과적이다. 이러한 간략한 표기법은 양자역학과 기저 상태의 중첩에 대한 교과서와 논문에서 매우 일반적이며, 기저 상태의 중첩은 양자역학의 기본 도구이다.

6. 실험

상대적으로 큰(양자 물리학의 기준으로) 물체의 중첩을 포함하는 성공적인 실험들이 수행되었다.


  • 베릴륨 이온이 중첩 상태로 포획되었다.[4]
  • 버키볼(Buckminsterfullerene) 및 최대 2000개의 원자로 구성된 작용화된 올리고포르피린을 이용한 이중 슬릿 실험이 수행되었다.[5][6]
  • 10,000을 초과하는 질량과 810개 이상의 원자로 구성된 분자가 성공적으로 중첩되었다.[7]
  • 초전도 양자 간섭 소자(SQUID)를 사용하여 초전도 회로의 양자 간섭 효과를 이용하는 매우 민감한 자력계가 실현되었다.
  • 약 10조 개의 원자로 구성된 압전 "음차"가 만들어졌는데, 이것은 진동하는 상태와 진동하지 않는 상태의 중첩 상태에 놓일 수 있다.[8]
  • 최근 연구에 따르면 식물 내의 엽록소는 에너지 수송의 효율을 높이기 위해 양자 중첩의 특징을 이용하는 것으로 보이며, 이를 통해 색소 단백질을 그렇지 않은 경우보다 더 멀리 떨어뜨려 배치할 수 있다.[9][10]


또한, 고전역학적인 국소 실재론과는 양립하지 않는 확률 분포를 생성하는 중첩 상태도 있다. 그러한 상태의 존재도 벨의 부등식, 그린버거-혼-차일링거 상태 등의 고찰을 통해 실험으로 검증되고 있다. 또한, 양자 컴퓨터에서는 그러한 비고전적인 중첩을 적극적으로 이용하려는 시도가 이루어지고 있다.

7. 양자 컴퓨터에서의 응용

양자 컴퓨터에서 큐비트는 고전적인 정보 비트의 아날로그이며, 큐비트는 중첩될 수 있다.[11] 큐비트의 중첩은 두 상태에 대한 정보를 병렬적으로 나타내는데, 이는 고전적인 비트와는 다른 점이다.[11] 이러한 큐비트의 중첩을 제어하는 것은 양자 컴퓨팅의 핵심 과제이다. 결합 강도가 작은 핵 스핀과 같은 큐비트 시스템은 외부 방해에 강하지만, 같은 작은 결합 때문에 결과를 읽어내기 어렵다.[11]

양자 컴퓨터에서는 비고전적인 중첩을 적극적으로 활용하려는 시도가 이루어지고 있다.

8. 초선택 규칙

양자역학에서 중첩하여 만들어진 상태 |\psi'\rangle에서 물리량 A의 측정값 평균값 \langle\psi'|\hat{A}|\psi'\rangle\langle\psi_1|\hat{A}|\psi_1\rangle\langle\psi_2|\hat{A}|\psi_2\rangle의 선형 결합으로는 나타낼 수 없다. 이것을 “'''간섭 효과'''”라고 부른다. 실제로는 “'''간섭항'''”이라고 불리는 별도의 항이 붙는다.

혼합 상태의 경우에는 양자적인 간섭이 일어나지 않는다. 간섭이 일어나지 않는 중첩도 있으며, 이 경우에는 중첩에 의해 혼합 상태가 만들어진다. 이것을 초선택 규칙이 있다고 한다.

참조

[1] 서적 Quantum mechanics. 1 North-Holland 1976
[2] 서적 The Principles of Quantum Mechanics Clarendon Press
[3] 학술지 Experiment and the foundations of quantum physics
[4] 학술지 A “Schrödinger Cat” Superposition State of an Atom https://www.science.[...] 1996-05-24
[5] 웹사이트 Wave-particle duality of C60 http://www.quantum.a[...] 2012-03-31
[6] 웹사이트 standinglightwave http://www.univie.ac[...]
[6] 학술지 Quantum superposition of molecules beyond 25 kDa 2019-09-01
[7] 간행물 Matter-wave interference with particles selected from a molecular library with masses exceeding 10 000 amu
[8] 웹사이트 Macro-Weirdness: "Quantum Microphone" Puts Naked-Eye Object in 2 Places at Once: A new device tests the limits of Schrödinger's cat http://www.scientifi[...]
[9] 학술지 Coherently wired light-harvesting in photosynthetic marine algae at ambient temperature 2010-02-04
[10] 뉴스 Quantum Entanglement, Photosynthesis and Better Solar Cells http://www.scientifi[...] 2009-09-01
[11] 서적 Quantum Computation and Quantum Information https://www.cambridg[...] Cambridge University Press 2010



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