오늘은 어디에선가 많이는 들었는데 도통 무슨 뜻인지 그동안
잘 몰랐던 양자학과 양자역학에 대해 천천히 아주 쉽게 공부해 봐요.
양자학은 물리학의 한 분야를 담당하고 물질의 기본 단위인 입자들이 어떻게 움직이는지에
대한 연구라면, 양자역학은 양자학의 수학적 틀을 포함하는 이론으로 물체의 움직임, 에너지
전이, 파동과 입자의 이중성에 관해 다룬다고 보면 됩니다. 좀 더 쉽게 말해 양자학은 이론의
개념이라면 양자역학은 이를 바탕으로 계산하고 실험하는 것입니다.
양자역학에 대해 세밀하게 알아보도록 하겠습니다.
1. 양자역학의 주요 개념과 특징
양자역학은 20세기 초기에 개발되었는데 그 전의 고전물리학이 설명할 수 없었던 현상을
해석하기 위해 고안된 것으로 물리학에서의 양자역학은 원자 이하의 입자나 물체의 행동을
설명하는 수학적 이론으로 양자역학에는 다양한 이론적 해석이 있습니다.
1) 파동과 입자의 이중성
양자역학은 입자가 파동적인 특성을 갖는데, 그 입자는 상황에 따라 입자로 행동하기도
파동으로 행동하기도 합니다. 이러한 이중성은 빛이나 전자와 같은 입자에서 관측됩니다.
2) 슈뢰딩거 방정식
양자역학의 중심적인 수학적 도구로 사용되는 방정식으로 슈뢰딩거 방정식은 입자의
움직임과 에너지의 상태를 보다 정밀하고 정확하게 모형화할 수 있다고 합니다.
3) 상태 벡터와 확률
시간에 따라 변화하는 시스템을 상태 벡터라 불리는데 상태 벡터는 물체의 위치나 운동량,
에너지 등을 확률적으로 예측하는 수학적 개념입니다.
4) 양자 상호작용
양자역학은 양자 상호작용의 현상을 포함하는데 두 개 이상의 양자가 얽혀 상호 의존적인
상태로 있는 현상으로, 한 양자가 얽혀 있는 다른 양자의 상태에 영향을 미칠 수 있습니다.
5) 불확실성 원리
이 원리는 하인리히 헤이젠베르그가 제시한 원리로 위치와 운동량, 에너지와 시간
등이 같은 두 물리적 양을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능하다는 원리입니다.
2. 양자역학의 역사
20세기 초부터 시작된 양자역학의 발전 단계를 요약해 봅니다.
1) 플랑크의 양자이론(1900년)
양자역학의 시작은 막스 플랑크에 의해 이루어졌다고 봐야 할 것입니다. 플랑크는 블랙바디
복사에 대한 문제점을 해결하기 위해 에너지의 단위가 불연속적으로 방출되는 양자 이론을
발표했는데, 에너지는 연속적으로 흐르는 것이 아닌 불연속적 양자로 나뉜다는 개념입니다.
2) 알베르트 아인슈타인의 광전효과 이론(1905년)
알베르트 아인슈타인은 광전효과를 설명하면서 빛 또한 입자의 성격을 갖는다고 했습니다.
광자라 불리는 빛의 입자성 설명은 양자 이론 발전에 여러가지 기여를 했습니다.
3) 밀리컨의 오일 투하 실험(1909~1913년)
로버트 밀리컨은 오일 투하 실험을 통해 전하를 가진 입자의 존재를 증명하였고, 전자(입자)의
기본 전하 값을 측정하여 양자 이론을 지지했습니다.
4) 루이 드 브로글리의 파동 입자 이중성(1924년)
루이 드 브로글리는 물체가 파동으로도 행동할 수 있음을 발표하면서 물체의 운동과 파동
특성을 수학적으로 연결하여 드 브로글리 파동 방정식을 제창했습니다.
5) 하안리히 헤이젠베르크의 불확실성 원리(1927년)
헤이젠베르크는 위치와 운동량, 에너지와 시간 등 두 물리적 양을 동시에 정확히 측정하는
것은 불가능하다고 불확실성의 원리를 주장하였고, 이 원리는 광범위하게 활용되고 있습니다.
6) 코펜하겐 해석(1927년)
코펜하겐 해석은 니얼스 보어, 와네르 하이젠베르크, 와이너 슈뢰딩거 등이 참여한 연구인데,
양자 상태와 양자 상호작용, 양자 측정 등에 대해 특별한 개념들이 돌입되었습니다.
7) 양자역학의 행렬 메카닉스(1920~1930년대)
마크스 톨마니어, 와네르 하이젠베르크, 에르윈 셰뤼딩거 등은 행렬 메카닉스 원리를 발표해
양자역학을 수학적으로 효율성 있게 다룰 수 있음을 입증했습니다.
8) 양자역학의 완결(1920~1930년대)
1920년대 후반까지 양자역학의 기본 원리와 방정식이 확립되었다면 이후의 양자역학은
물리학의 핵심 이론으로 중요하게 자리 잡았다고 볼 수 있습니다.
초기의 양자역학은 이해하기 어려운 개념과 수학적인 표현이었다면 현대에서 바라보는
양자역학은 물리학, 공학 등 다양한 분야에서 광범위하게 응용되고 있고, 레이저나
양자 컴퓨터, 원자력 시계 등의 기술 분양에서도 응용되고 있습니다.
3. 양자컴퓨터의 활용
현재 세계 각국은 양자컴퓨터의 개발과 연구에 사활을 건다고 해도 과언이 아닐 것입니다.
양자컴퓨터는 양자역학의 원리를 활용해 정보를 처리하는 신개념의 컴퓨터입니다.
양자컴퓨터는 비트 또는 큐비트(Qubit)로 불리는 양자 상태를 이용하여 병렬 및 양자 복제
등의 양자 특성을 이용해 문제를 해결하는 방식의 컴퓨터입니다.
1) 양자 비트(Qubit)
양자컴퓨터에서 사용되는 기본 단위로 양자역학의 원리에 따라 0과 1을 동시에 나타나게
하는데, 이를 양자 중첩이라 합니다. 동시에 여러 개를 처리할 수 있게 됩니다.
2) 양자 얽힘
양자컴퓨터에서는 양자 얽힘을 이용해서 한 큐비트를 다른 큐비트에 연결시켜 한 큐비트의
상태 변화가 다른 큐비트에 즉시 영향을 미치게 하는 병렬 처리를 가능케 합니다.
양자 병렬 처리는 양자 중첩을 이용해 동시에 여러 개를 탐색해 속도를 향상할 수 있습니다.
3) 양자 중첩
양자 중첩은 양자역학에서의 특별한 현상인데, 일반적인 물리적 시스템에서는 특정한 상태에
있거나 그 상태에 해당하지 않는 두 가지 중 하나를 선택해야 하지만 양자 중첩은 양자 상태가
동시에 여러 상태를 가질 수 있다는 개념으로 양자 컴퓨팅에서 병렬 처리가 가능해 효율적인
알고리즘 설계에 활용됩니다. 양자컴퓨터는 클래식 컴퓨터보다 속도 등에서 월등합니다.
4) 응용 분야
양자컴퓨터는 아직은 실험 단계에 있지만 이론적으로는 일부 문제를 제외하고는 많은 부분에서
효율적으로 해결이 가능하다고 합니다. 화학 반응의 시뮬레이션, 최적화 문제 해결, 암호 해독,
기계 학습 등에서 양자켬퓨터의 응용되고 있습니다.
4. 양자역학의 도전 과제
현재까지는 양자역학과 중력 이론을 통합하는 일반적인 이론이 발표되지는 않았습니다.
그러기에 양자 중력의 기술은 앞으로 해결해야 할 과제이기도 합니다.
양자 상호작용의 본질과 양자역학에서 나타나는 양자 비축성에 대한 이해가 부족하고 이러한
이해의 부족은 양자 시스템의 제어와 활용에도 제약이 되고 있습니다.
양자역학의 도전 과제들은 여전히 활발히 연구해야 하는 분야이며, 현대 물리학 분야의 발전을
위해서도 양자역학의 깊은 이해를 확장, 새로운 기술과 응용 분야를 개척해 가야 할 것입니다.
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