거시계에서의 양자정보
슈뢰딩거 고양이의 발견
제1장 에필로그
양자 역학은 광자나 전자 혹은 단원자 크기의 입자계에서 나타나는 현상을 설명하기 위해 정립되었다. 양자론은 원자의 안정적 구조를 설명하고 광자의 존재를 확인하는 과정에서 미시세계 자연법칙을 설명하는 이론으로 처음 도입되었으며 이후 다양한 양자현상을 통해 그 유효성이 검증되었다. 그러한 양자론은 최초 도입 이후 크게 세가지 정도의 다른 방향으로 진화한다. 첫번째는 양자론 체계 자체에 관한 논의이며 두번째는 양자론의 일반화와 관련된 방향이며 세번째는 제어가능한 거시계에서의 양자상태의 발견과 그 응용에 관한 것이다.
첫번째 양자론 자체의 완결성에 대한 논의는 양자론의 탄생과 함게 지속적으로 진행되어 왔던 논의다. 양자론은 그 탄생에서 부터 그 이론에 결함이 있을 수 있다는 생각을 한 과학자들이 많이 있었다. 이는 양자론이 예측하는 세상이 결정론적이지 않으며 다분히 논리적으로 모순적인 상황이 야기하는 결과들을 내포하고 있기 때문이다. 그러한 양자론의 완결성과 관련된 문제는 양자역학의 해석에 대한 논쟁과 함께 물리학계를 90년대 초반까지 뜨겁게 달구었다. 과연 다양한 양자현상을 설명하는 기초에 있는 양자상태라는 것이 과연 어떠한 방식으로 존재하는지에 대한 논의와 그러한 고유한 양자현상을 배제할 수 없는 영역의 존재성에 대한 검증노력으로 이어져 왔다. 앞장에서 설명한 양자얽힘상태의 검증과 비국소성의 확인을 통해 고전역학의 영역을 벗어난 양자현상의 고유한 영역이 존재성은 최근 명확히 검증된 바 있으며 그러한 양자 상태의 해석은 대부분 양자상태의 편의적 설명방법의 선택의 문제로 귀결 되어가고 있는 추세다.
두번째 양자론의 주요한 연구 방향은 양자론이 어떻게 다른 고전적인 이론과 결합될 수 있느냐 하는 문제에 대한 연구다. 특히 고전역학이나 상태론 혹은 통계론에서 나타나는 여러가지 물리적 상황들이 양자론에서 예측하는 결과와 대치되는 결과를 줄 수 있다는 것은 여러차례 논의된 바 있다. 그러한 문제들에 있어서의 모순점을 해결하기 위하여 많은 물리학자들은 어떻게 미시적으로 양자역학적 법칙을 따라 거동하는 자연계가 거시적으로는 고전역학적 현상을 나타내는지 연구하기 시작하였다. 또한 그러한 양자론이 상대론과의 결합을 통해
마지막 한 방향으로는 양자론이 적용되는 자연현상의 범위를 넓히기 위한 노력도 계속적으로 진행되었다. 그러한 질문 중 가장 주목할 만한 연구 방향은 거시계에서 발견될 수 있는 양자현상에 관한 것이다.
성공적인 양자론의 결과 이후에 과학자들은 양자론이 적용될 수 있는 자연계에 대한 다양한 현상들에 대하여 탐구하기 시작했다.
제2장 거시적 양자현상의 발현 : 초유체, 초전도, 레이저
양자역학이 성공적인 이론이였다는 점을 이야기 하는데 원자구조의 발견이 자주 언급된다. 당연하게도 양자역학이라는 이론체계가 필요하였고 그러한 이론체계를 완성하게 되기까지 원자론의 역할은 매우컷다. 특히 수소 및 다양한 원자의 안정적 궤도를 예측하고 이를 통해 그 내부 구조를 밝히며 원자의 에너지를 예측하고 측정하는 일은 1930년 경 양자론을 통해 가능할 수 있었던 획기적인 일이였다. 하지만 당시 물리학자들은 그러한 양자론이 원자구조를 설명하는데 유용하다는 점 이외에 그러한 이론이 정말 맞는 것인지에 대해서는 확신을 하지 못하였다. 더 나아가 그러한 양자론을 대체할 수 있는 다른 이론이 존재할 수는 없는 것인지에 대해서도 의문을 품고 있었다. 극단적으로 어떤 이들은 양자역학은 그 논리적 모순으로 인하여 틀린 이론으로 증명될 수 있다고 생각하기도 하였다.
하지만 시간이 지날수록 양자역학의 적용범위가 생각보다 광범위하고 이를 통해서만 설명할 수 있는 물리현상은 점점 늘어갔다. 특히 원자와 같은 미세구조를 설명하는데만 적용될 것 같았던 양자현상은 이후 거시적인 현상으로도 관측되기 시작하였는데 이를 통해 양자역학의 중요성과 그 근원적 원리가 점점 더 중요하게 받아들여지기 시작했다. 그러한 물리적 현상으로는 광자의 발견을 통해 예측을 하게된 결맞음 광원 즉 레이져의 발견과 극저온에서 발견된 초전도 초유체 현상이 있다. 또한 BEC 응축 현상의 발견을 통해서도 거시계에서의 양자현상이 가능하며 그러한 양자현상은 이후 단원자 뿐 아니라 수많은 원자(즉 아보가드로 수의 입자)들에서도 나타날 수 있다는 것이 밝혀진다. 그러한 거시계에서의 양자현상이 발현될 수 있다는 것을 발견하고 그러한 현상을 정확하게 예측 및 분석할 수 있게 됨으로 인해 양자이론의 중요성은 점점 더 무겁게 받아들여지게 되었다.
- 초유체 초전도 현상
- 광자의 발견과 레이저
- 보즈아인슈타인 응축
제3장 다 체계 양자시스템과 거시현상 : 양자분수효과, 거시적 얽힘
다 체 양자시스템에서의 양자현상은 단지 입자의 숫자
