Richard Feynman은 양자 역학을 이해하는 사람이 아무도 없습니다. 1900 년 맥스 플랑크 (Max Planck)의 발견 후 에너지는 별도의 패킷이나 양자로 나옵니다. 양자 물리학은 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. 야구에서 자동차에 이르기까지 더 큰 규모로 일하는 방식과는 크게 다릅니다. 여기서 야구에서 자동차까지의 물체는 우리 자신의 신체적 경험과 일치하는 Newton의 역학 및 중력 법칙을 따릅니다. 그러나 양자 수준에서, 전자는 입자와 파동이며, 빛은 파동과 입자 (파동 입자 이원성)이다. 원자의 전자는 특정 에너지 만 취합니다 (에너지 양자화); 전자 또는 광자는 임의의 거리 (얽힘 및 순간 이동)에서 서로 즉시 서로 영향을 줄 수 있습니다. 양자 물체는 측정 될 때까지 다른 상태에 존재합니다 (중첩 또는 대중적으로 Schrödinger 's Cat). 그리고 진정한 물리적 힘은 진공의 명백한 없음 (casimir 효과)에서 나온다.
아무도 이해하지 못하는 이론을 위해, 양자 물리학은 인간 사회를 놀라운 방식으로 변화시켰다. 그것은 통합 회로 칩의 디지털 기술과 빛이 드는 다이오드의 새로운 기술이 우리를 녹색 세계로 옮기는 것입니다. 과학자들은 이제 양자 물리학에서 더 애매 모호한 개념 중 하나 인 임시“가상”광자라는 아이디어에 흥분하여 심장과 뇌를 진단하기위한 비 침습적 의학적 방법을 만들 수 있습니다. 이러한 연결은 과학적 추상화에서 유용한 응용 프로그램으로 아이디어의 흐름을 보여줍니다. 그러나 실용적인 요구 사항이 깊은 통찰력을 생성하는 카운터 흐름도 있습니다. 열역학의 보편적 법칙은 19 세기 프랑스 엔지니어 인 Sadi Carnot의 노력에 뿌리를두고 있으며, 증기 엔진의 주요 기술을보다 효율적으로 만들었습니다. 마찬가지로, 양자 기술의 성장은 양자에 대한 더 깊은 지식으로 이어진다. 순수한 이론과 일상 세계의 결과 사이의 상호 작용은 과학이 발전함에 따라 지속적인 과학의 특징입니다. 양자 물리학 에서이 상호 작용은 창립자 중 한 명인 덴마크 물리학자인 Niels Bohr에게 거슬러 올라갑니다.
1913 년에 Bohr는 가장 간단한 원자 인 수소에 양자 아이디어를 적용했습니다. 그는 고독한 전자가 각각 특정 에너지를 가진 중앙 양성자 주위의 특정 궤도만을 차지할 수 있지만 그 사이의 공간이나 에너지는 없다는 것을 발견했다. 전자는 에너지를 흡수하거나 관련된 궤도 에너지에 의해 설정된 파장에서 광자로 방출함으로써 다른 궤도로 점프한다. Bohr의 모델은 에너지 수소 가스에 의해 방출되는 정확한 파장을 예측했을 때 큰 성공을 거두었습니다. Quantum은 에너지 수준 사이의 간격을 가로 지르는 또한 네온 및 기타 가스, 레이저 및 LED로 채워진 광고 표시에서 생생하게 색깔의 빛을 생성합니다.
에너지 갭은 또한 1947 년에 발명 된 반도체 트랜지스터에 의존하는 디지털 전자 및 컴퓨팅의 핵심에 있으며, 반도체는 금속 사이에 있으며 전기 전류를 운반하는 많은 자유 전자와 전자가 원자 내에 고정되어 전류를 형성 할 수없는 절망기가 있습니다. 반도체의 전자는 또한 원자에 국한되지만, 일단 소위 밴드 갭을 가로 질러 점프하면 자유롭게 이동하여 전류를 형성 할 수 있습니다. 이 전류는 반도체가 트랜지스터로 형성 될 때 스위치로 켜지거나 끄고 신호를 증폭 시키며 다른 전자 기능을 수행하도록 정확하게 조작 할 수 있습니다. 반도체 실리콘으로 만들어진 통합 회로 칩 내에서 수백만에서 생산 된 트랜지스터는 세계를 정의하는 디지털 기술을 제어합니다. 이 모든 것을 기본으로하는 밴드 갭은 반도체의 전자가 금지 된 영역에 의해 분리 된 에너지 밴드를 차지하기 때문에 발생하는 순수한 양자 효과입니다.
에너지가 작은 규모에서 불연속적이라는 사실은 평범한 세계에 대한 우리의 견해와 상충되지만 이제는 자연의 이러한 측면을 당연한 것으로 간주합니다. 그러나 중첩, 얽힘 및 순간 이동성은 양자 이론에 대한 더 깊은 의문을 제기하지만 새로운 기술에도 영감을줍니다.
중첩은 1926 년에 출판 된 Erwin Schrödinger의 유명한 방정식과 관련이 있습니다. 그것은 Newton의 방정식 f 의 양자입니다. = ma (즉, 힘 =질량 x 가속도, 입자 운동의 기본 방정식) 그러나 전자와 같은 아 원자체는 입자가 아닌 파동으로서의 아 원자체를 설명합니다 (이 파동이 무엇인지 말하지는 않지만). 그러나 파도 기능이라고하는 방정식의 솔루션은 입장과 같은 엔티티의 모든 속성을 계산하는 데 사용될 수 있지만 결정적으로는 그렇지 않습니다. 파도 장애는 전자가 원자에서 주어진 위치에 존재할 수있는 확률 만 제공합니다. 원칙적으로 각 위치는 전자가 측정 될 때까지 확률에 따라 가능합니다. 파동 기능이 해당 값으로 "붕괴"라고 말할 때
.양자 행동에 대한 이러한 견해를 Bohr의 개발에있어서 Copenhagen 해석이라고합니다. 이 경우에 선택된 카드가 동등한 확률로 선택한 카드가 취할 수있는 52 개의 다른 상태가 포함되어 있다고 말하는 것과 같습니다. 그러나 일단 카드를 선택하면 실제 상태가되어 다른 51은 관련이 없습니다. 그러나 비유는 불완전합니다. 우리는 각 카드에 인쇄 된 소송과 가치가 실제이며 누군가가 카드를 선택하든 아니든 고정되어 있다고 확신합니다. 고전 물리학에서 우리는 물체가 측정되지 않더라도 명확한 특성을 가지고 있다고 가정합니다. 그러나 코펜하겐의 견해는 전자 또는 광자가 측정과 독립적 인 명확한 값을 가지고 있는지 의심스럽게 만듭니다.
이것을 읽으면 측정 행위가 어떻게 든 측정 된 것의 본질에 깊은 영향을 미치는 방법과 이유가 궁금하다면, 당신은 혼자가 아닙니다. 이것은 다른 물리학 자들과 철학자들 사이에서 아인슈타인이 요청했지만 아직 대답하지 않은 지속적인 질문 중 하나입니다. 코펜하겐 견해는 널리 사용되지만 다른 해석은 제기 된 문제를 해결하려고 시도합니다.
그럼에도 불구하고 중첩은 계산에 대한 새로운 접근 방식을 가능하게합니다. 예를 들어 :광자는 주어진 방향을 가리키기 위해 편광 될 수있는 전기장을 가지고 있습니다. 이는 중첩 하에서 광자가 각각 이진 "1"또는 "0"을 나타내는 50 %의 확률을 가질 수 있도록 배열 될 수있다. 결과는 측정 될 때까지 1과 0의 양자 컴퓨터 비트 ( "qubit")입니다. 일반적인 컴퓨터 비트는 1 또는 0이므로 큐비트를 사용하면 컴퓨팅 용량이 2 의 계수로 향상됩니다. 여기서 n 큐 비트 수입니다. 예를 들어, 4 개의 일반 비트는 16 바이너리 숫자 중 하나 (10 진수 0 ~ 15) 중 하나만 보유 할 수 있지만 4 개의 큐 비트는 16을 동시에 유지합니다. 많은 데이터를 병렬로 처리함으로써 양자 컴퓨터는 전례없는 수준으로 계산 능력을 취합니다.
광자 외에도 큐브는 전자, 이온 및 초전도체와 같은 양자 물체 및 시스템을 기반으로 할 수 있습니다. 연구원들은 이제 이러한 접근법을 테스트하여 상업적 양자 계산에 가장 적합한 접근법을 찾습니다. IBM은 2 년 안에 1,000 쿼트 초전도 칩을 예상합니다. 이온 큐 비트를 기반으로 한 작은 11 쿼트 컴퓨터조차도 원칙적으로 2,048 숫자를 한 번에 저글링 할 수 있습니다.
.얽힘은 데이터를 처리하는 다른 새로운 방법을 제공합니다. 그러나 Schrödinger가 1935 년이 용어를 발명했을 때 그는 얽힘에 대해“ one 로 생각하고있었습니다. 그러나 분명히 양자 역학의 특징적인 특성.” 이 정의 기능은 한 쌍의 전자로 설명 할 수 있습니다. 스핀이라는 속성으로 인해 전자는 북극이있는 작은 자석과 같습니다. 하나의 북극과 다른 하나는 전체 스핀 0을 갖는 한 쌍의 전자를 만들 수 있지만, 우리는 어느 것이 무엇인지 모릅니다. 이제 두 전자를 원하는만큼 멀리 떨어 뜨리고 전자 A의 스핀 방향을 측정하십시오. 결과에 관계없이 전자 B의 스핀 방향 측정은 항상 반대 값을 제공합니다.
이것은 두 개의 연결된 양자 물체 중 하나의 속성을 측정하면 거리에 관계없이 다른 속성의 값을 즉시 설정하는 얽힘입니다. 수많은 실험은 양자 물체가 평범한 물체가 그리 멀지 않은 방식으로 상관 관계가 있음을 확인합니다. 2017 년에 중국 과학 기술 대학의 Jian-Wei Pan의 그룹은 한 쌍의 광자가 1,200km의 기록적인 거리에 얽힌 것으로 나타났습니다. 실험은 또한 얽힌 물체들 사이의 상호 작용이 빛의 속도가 허용하는 것보다 더 빨리 발생한다는 것을 보여줍니다. 이것은 특수 상대성 이론에서 발생하는 지역이라는 조건을 위반하는데, 이는 아인슈타인이 얽힘을“멀리서 짜증나는 행동”이라고 불렀을 때 어려움을 겪었습니다. 양자 현실주의가 이미 모호한 경우, 많은 물리학 자들은 현실감과 지역이 양자 세계에서 적용되지 않는다는 견해를 돌보고 있습니다.
그럼에도 불구하고, 순간 이동에서의 역할을 통해 얽힘은 전 세계적으로도 양자 통신을 가능하게합니다. 1993 년, IBM의 Charles Bennet과 동료들은 양자 시스템의 미지의 상태를 먼 수신기, 즉 순간 이동 양자 정보로 정확하게 복사하여 보내는 방법에 대해 이론화했습니다. 양자 이론에서는 복사가 불확실성 원리를 피할 수있는 방법을 제공하기 때문에 양자 이론에서는 정확히 복제 할 수 없기 때문에 혁명적이었다. 그러나 얽힘은 또 다른 해결 방법을 제공합니다. 얽힌 광자의 분극을 측정하면 직접 측정없이 파트너의 분극을 알고 있습니다. Bennett 논문은 발신자 및 수신자와 각각 위치한 얽힌 광자 A 및 B를 사용하여 제 3 광자 X의 미지의 상태를 광자 B로 전송하기 위해 제안했습니다.
1997 년 Anton Zeilinger는 Innsbruck 대학교에서, 동료들은 광자의 알 수없는 분극 상태를 성공적으로 순간 이동시켰다. 이러한 실험은 많은 보너스와 함께 편광 광자 큐브 형태로 데이터를 분배 할 수있는 문을 열었습니다. 순간 이동의 양자 특성은 기밀 정보의 변조 또는 도청에 대한 기밀 정보의 전송을 안전하게 만듭니다. 이것은 스파이 소설의 문제가 아닙니다. 인터넷 상거래 및 금융 전송을 지원하고 개인 정보를 전달하는 수많은 전자 거래에서 보안이 필수적입니다.
보안의 경우 이러한 전송이 암호화 된 다음 수신자가 별도의 보안 채널을 통해 전송 된 비밀 키로 디코딩하는데, 이는 방법이 취약한 곳입니다. 그러나 양자 시스템에서 키는 무작위 큐 비트 문자열입니다. 이는 변조 방지입니다. 제 3자가 키를 읽거나 변경하면 양자 측정에 해당하여 발신자와 수신자가 감지 할 수있는 방식으로 키를 변경합니다. 이 기능을 통해 Quantum Teleportation은 먼 거리에서 우주 위성 전송을 통해 구현 된 완전히 안전한 전세계 네트워크의 가능성을 높입니다. 얽힌 광자의 1,200km 전염은 우주 위성과 지상국 사이에서 수행되었다. 글로벌 양자 인터넷을 향한 첫 단계입니다.
기술로 전환하는 양자 효과는 반 직관적이고 시각화하기가 어렵지만 최근의 발전은 실제 물리적 힘을 가진 친숙한 뉴턴의 역학 세계로 돌아갑니다. 대신, 양자 필드 이론이라는 양자 역학의 확장에서, 우주의 진공은 우주의 가장 낮은 에너지 상태이며, 간단히 존재하는 "가상"기본 입자를지지한다. 여기에는 다양한 파장이있는 가상 광자가 포함됩니다. 1948 년, 네덜란드 이론가 헨드릭 카시미르 (Hendrik Casimir)는이 양자 진공에 배치 된 2 개의 간신히 분리 된 평행 한 금속 판이 서로 끌릴 것이라고 예측했다. 이것은 판 사이의 간격에 정확하게 맞는 파만이 거기에서 살아남으므로 플레이트 외부에 존재하는 것보다 낮은 에너지 밀도를 생성하고 내부 힘을 생성하기 때문에 발생합니다. 이 힘은 매우 작으며 플레이트 사이의 간격이 약 100 나노 미터입니다.
마지막으로 1997 년 섬세한 측정은 Casimir의 예측을 정량적으로 확인했으며 다른 결과는 다른 형상에서 비금속에도 효과가 발생한다는 것을 보여줍니다. 그 이후로, 전기 및 기계적 기능을 결합한 치형 장치 인 마이크로 및 나노 전자 역학 시스템의 연구원들은 카시미르 힘을 이용하기 시작했습니다. 작은 거리에 대한 민감도는 기계적 움직임을 추적하여 초고전적인 측정을 가능하게합니다. 유망한 아이디어 중 하나는이 기술을 사용하여 생성하는 매우 작은 자기장을 측정하여 물리적 접촉없이 인간의 심장과 뇌를 검사하는 것입니다. 현재 이것은 극저온 냉각이 필요한 부피가 큰 장비로 이루어집니다. 전자 기계식 칩은 대신 실온에서 의사의 사무실에서 심장이나 뇌를 분석하기 위해 Casimir 효과를 사용합니다.
양자 기술은 적용 된 양자 물리학이 근본적인 이해를 넓힐 수 있음을 보여줍니다. 독창적 인 양자 과학자들은 순간 이동이 불확실성 원리를 중심으로 끝나고 실제 통신을 달성 할 수 있음을 보여주었습니다. 이 경우, 연구자들은 양자 효과를 조작하여 하나의 기본 원리를 피하는 방법을 배웠습니다. 큐 비트로 구성된 순간 이동 키의 안전한 특성은 다른 기본 양자 특성, 무작위성 및 측정에 대한 감도에서 발생한다는 점을 높이 평가합니다.
그러나 우리는 왜 양자 이론이 그렇게 잘 작동하는지 완전히 이해할 것인가? 저명한 이론가 인 존 아키 볼드 휠러 (John Archibald Wheeler) 인 페인 만 (Feynman)의 대학원 고문은 대답을하지 않았지만 1984 년에“과학에서 가장 혁신적인 발견은 아직 오지 않았다! … 양자에 의문을 제기하는 것이 아니라 양자를 요구하는 완전히 간단한 아이디어를 발견함으로써.”
Sidney Perkowitz는 Emory University의 Physics Emeritus의 Candler 교수입니다. 그의 최신 책은 입니다 물리학 :매우 짧은 소개 및 과학 스케치 (앞으로 2022 년).
참조
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5. Popkin, G. 중국의 양자 위성은 기록적인 거리에서 "짜증나는 행동"을 달성합니다. 과학 (2017).
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