측정과 중첩

실제로 보는 것은 측정입니다. 우리는 눈에 들어오는 광자를 측정하고 있는 것입니다!

보통 공 같은 물리적 사물에 대해서는 우리가 늘 측정하고 있습니다. 우리는 그것을 만지거나, 광자가 그것에 닿아 우리 눈에 들어옵니다. 우리가 측정하지 않을 때는 다른 무언가가 측정하고 있습니다: 공기 분자입니다. 그리고 언젠가 그 분자들은 연쇄 반응을 일으켜 우리에게 측정 가능한 방식으로 영향을 미치게 됩니다.

그러나 전자 같은 어떤 것들은 충분히 작아서 끊임없는 측정을 피할 수 있습니다. 그래서 1900년대 초의 과학자들은 이상한 질문을 던지기 시작했습니다. 전자 같은 작은 물체는 측정되지 않을 때도 (위치 같은) 명확한 속성을 가질까요?

충격적이게도 답은 아니오였습니다. 그래서 물리학자들은 아무것도 측정하지 않을 때 물체의 속성을 기술하기 위해 양자역학을 발명했습니다. 측정 사이에는 전자가 단일하고 명확한 위치를 갖지 않습니다. 가능성들의 혼합으로 존재합니다. 측정 행위가 물체에게 하나의 명확한 답을 선택하도록 강제합니다.

이 개념을 보여주기 위해, 매우 단순하고 제어 가능한 양자 속성인 전자 스핀으로 보여드리겠습니다. 물론 세상에는 수많은 양자 속성이 있습니다. 전자 위치, 전자 속도, 빛의 파장 등입니다. 그러나 이들은 모두 매우 복잡하며 길을 잃기 쉽습니다. 각각이 무한히 많은 가능한 측정 결과를 갖기 때문이죠! 예를 들어, 전자의 위치를 측정해 손가락에 있다거나, 노트북에 있다거나, 그 사이 어딘가에 있다고 알 수 있습니다.

반면 전자 스핀은 우리가 이진 상태라고 부르는 것입니다. 측정하면 위 또는 아래만 나올 수 있고, 그 사이는 절대로 나오지 않습니다. 이는 1922년의 전설적인 슈테른-게를라흐 실험에서 발견되었습니다. 그러므로 이것으로 작업하겠습니다. 개념을 훨씬 단순하게 해 줍니다.

아래는 단일 전자의 스핀입니다. 두 가지 일을 할 수 있습니다. 레이저를 쏘아 “위”와 “아래” 사이를 구동하거나, 측정하여 결과를 읽는 것입니다.

중첩이란 상태가 측정 가능한 상태에 있지 않은 모든 순간을 가리키는 말입니다. 예를 들어, 측정 가능한 두 위치가 “위”와 “아래”라면, 그 외의 다른 모든 상태는 중첩입니다. 일반적으로 “위치(position)”라는 단어를 “측정 가능한 위치”의 의미로 사용한다면, “중첩(super-position)”은 “위치를 넘어선 것”을 뜻합니다.

예를 들어, 큐비트가 옆을 향하고 있을 때, 그것이 바로 중첩 상태입니다!