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. 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!