[특별 편집본] 이번 생 마지막 양자역학 강의 몰아보기 (카이스트 김갑진 교수)

간략한 요약

이 비디오는 양자 역학의 기본 원리와 양자 컴퓨터의 작동 원리를 설명합니다. 김갑진 교수는 양자 역학이 고전 역학과 어떻게 다른지, 그리고 양자 컴퓨터가 기존 컴퓨터와 비교하여 어떤 문제를 해결할 수 있는지에 대해 설명합니다.

• 양자 역학은 우리가 일상에서 경험하는 세계와는 다른 원리로 작동합니다.
• 양자 컴퓨터는 양자 역학적 현상을 이용하여 특정 문제를 해결하는 데 특화되어 있습니다.
• 양자 컴퓨터는 암호 해독, 최적화 문제 해결, 신약 개발 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

소개 및 양자 역학에 대한 파인만의 언급

이 비디오는 양자 컴퓨터를 이해하기 위해 양자 역학을 배우는 여정을 시작합니다. 김갑진 교수는 양자 역학을 이해하는 사람이 아무도 없다고 단언한 파인만의 말을 인용하며, 양자 역학의 난해함을 강조합니다. 양자 역학을 이해하는 것이 얼마나 어려운지, 그리고 왜 그런지에 대한 통찰력을 제공하는 것을 목표로 합니다.

고전 역학의 기본 원리

고전 역학에서는 현재의 위치, 속도, 가속도를 알면 미래를 정확히 예측할 수 있습니다. 뉴턴의 운동 법칙(F=ma)에 따르면 힘을 알면 가속도를 알 수 있고, 위치와 속도를 알면 미래를 예측할 수 있습니다. 로켓 발사, 야구공 던지기, 먼지 입자 움직임 예측 등은 고전 역학으로 설명 가능하지만, 원자 내부의 전자 움직임은 예측할 수 없습니다.

양자 역학의 등장: 입자와 파동의 이중성

크기가 작아질수록 입자는 파동의 성질을 띠게 됩니다. 파동은 중첩될 수 있으며, 이는 노이즈 캔슬링 이어폰의 원리입니다. 아인슈타인은 광전 효과를 통해 빛이 입자(광자)의 성질도 가지고 있음을 증명했고, 드브로이는 전자가 파동의 성질을 가지고 있음을 증명했습니다. 즉, 입자와 파동은 상호 배타적인 것이 아니라, 상황에 따라 다른 모습을 보이는 동일한 존재입니다.

양자 역학적 현상이 나타나는 기준

모든 물체는 파동성을 가지지만, 그 파장이 물체의 크기에 비해 매우 작으면 입자로 간주됩니다. 파장(λ)은 플랑크 상수(h)를 질량(m)과 속도(v)의 곱으로 나눈 값으로 계산됩니다. 우사인 볼트의 파장은 매우 작지만, 산소 분자의 파장은 0.1nm로, 분자 간 간격(10nm)에 비해 작으므로 입자로 간주됩니다. 그러나 전자는 파장이 원자 크기만 하므로 파동으로 취급해야 합니다.

보즈-아인슈타인 응축: 파동의 시각화

온도를 절대 영도에 가깝게 낮추면 입자의 속도가 느려져 파장이 커지고, 모든 입자가 동일한 양자 상태를 갖는 보즈-아인슈타인 응축 현상이 나타납니다. 이는 빛을 이용하여 원자를 가두고 속도를 줄여 구현할 수 있습니다.

양자화와 불확정성 원리

원자 내 전자는 특정 궤도(에너지 준위)에서만 존재할 수 있습니다. 이는 전자가 파동이기 때문에, 원 궤도를 따라 한 바퀴 돌았을 때 파동이 겹쳐져야 하기 때문입니다. 또한, 위치와 운동량을 동시에 정확하게 측정하는 것은 불가능합니다(불확정성 원리). 위치를 정확히 알면 운동량을 모르고, 운동량을 정확히 알면 위치를 모릅니다.

상태의 중첩과 슈뢰딩거의 고양이

양자 역학에서는 전자가 여러 궤도에 동시에 존재하거나, 스핀이 업과 다운 상태에 동시에 존재하는 '상태의 중첩'이 가능합니다. 그러나 관측하는 순간 하나의 상태로 결정됩니다. 슈뢰딩거의 고양이는 양자 역학적 중첩 상태가 거시 세계에도 적용될 수 있는지 묻는 사고 실험입니다.

스핀 측정 실험과 양자 역학적 해석

스핀 방향이 옆으로 된 전자를 자석에 통과시키는 실험에서, 전자는 위 또는 아래로만 휘어지고 가운데로는 가지 않습니다. 이는 옆으로 된 스핀이 업과 다운 상태의 중첩이며, 관측하는 순간 둘 중 하나의 상태로 결정되기 때문입니다. 편광판 실험에서도 유사한 현상을 확인할 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 기본 원리

양자 컴퓨터는 양자 역학적 중첩 상태를 이용하여 계산을 수행합니다. 기존 컴퓨터는 0 또는 1의 값을 갖는 비트를 사용하지만, 양자 컴퓨터는 0과 1의 중첩 상태를 갖는 큐비트를 사용합니다. 큐비트는 원자, 빛, 스핀, 초전도체 등 다양한 물리적 시스템으로 구현할 수 있습니다.

양자 게이트와 양자 알고리즘

양자 컴퓨터는 큐비트의 상태를 조작하는 양자 게이트를 사용하여 계산을 수행합니다. 낫(NOT) 게이트는 0을 1로, 1을 0으로 바꾸는 역할을 합니다. CNOT(Controlled-NOT) 게이트는 제어 큐비트의 값에 따라 대상 큐비트의 값을 반전시키는 역할을 합니다. 양자 알고리즘은 이러한 양자 게이트를 조합하여 특정 문제를 해결하는 절차입니다.

양자 컴퓨터의 활용 분야

양자 컴퓨터는 소인수 분해를 빠르게 수행할 수 있어 암호 해독에 활용될 수 있습니다. 쇼어 알고리즘은 양자 컴퓨터를 이용하여 소인수 분해를 효율적으로 수행하는 알고리즘입니다. 또한, 양자 컴퓨터는 최적화 문제 해결, 신약 개발, 재료 설계 등 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.

양자 컴퓨터의 한계와 미래

양자 컴퓨터는 만능 머신이 아니며, 기존 컴퓨터가 풀 수 없는 문제는 양자 컴퓨터도 풀 수 없습니다. 양자 컴퓨터는 특정 유형의 문제를 해결하는 데 특화되어 있습니다. 양자 컴퓨터 개발은 아직 초기 단계에 있으며, 큐비트 수 증가, 오류 제어 등 해결해야 할 과제가 많습니다.