슈뢰딩거의 고양이 상자를 열어 꼬리만 보면 어떻게 될까?

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-05-04 13:27:56
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- 슈뢰딩거의 고양이는 상자를 열어 상태를 확인하지 않는 한 살아 있는 동시에 죽어 있다.
- 부분 측정에도 중첩(오버레이)가 남음
- 측정값이 얻는 정보가 많을수록 중첩 상태가 더 많이 교란, 이 교란 가역적이지 않다.
- 눈치 채지 못하게 도청하는 것 작동하지 않아

슈뢰딩거의 고양이를 속이는 방법 가능할까
부분적인 정보 이득만 있는 양자 측정은 여전히 ​​가역적이다.

되돌릴 수 있는 "도청":
일반적인 통념에 따르면 중첩의 양자 물리적 상태는 측정이 이루어지자 마자 붕괴된다. 이는 유명한 슈뢰딩거의 고양이 사고 실험으로 명료하게 설명된다. 예를 들어 이 고양이의 상자를 조금만 열어 꼬리만 보면 어떻게 될까? 물리학자들은 이제 양자 실험에서 그러한 불완전한 측정의 결과를 조사했다. 

▲ 슈뢰딩거의 고양이는 상자를 열어 상태를 확인하지 않는 한 살아 있는 동시에 죽어 있다. © Dhatfield / CC-by-sa 3.0


중첩은 양자 세계의 전형적인 현상이다. 입자는 동시에 여러 상태를 가정할 수 있다. 측정이 수행될 때만 되돌릴 수 없는 상태 중 하나가 발생한다. 즉, 중첩이 붕괴된다. 이것에 대한 비유는 슈뢰딩거의 고양이의 유명한 사고 실험이다. 독이 든 잠긴 상자에 앉아 있는 동물은 당신이 볼 때까지 삶과 죽음 사이의 상태에 있다.

중첩은 양자 암호의 해독 불가능성에서 양자 컴퓨터의 계산 능력에 이르기까지 수많은 양자 물리학 응용의 기초를 형성한다. 

▲ 실험 설정의 개략도. 양자 측정 및 반전 연산자는 HWP 및 PBS 세트를 사용하여 실현된다. (출처: 관련논문 Fig 2. Demonstration of Complete Information Trade-Off in Quantum Measurement / Physical Review Letters)

얼마나 더 "찾아보기"가 있을까?


양자 물리적 중첩은 얼마나 취약한가?

측정의 효과는 얼마나 되돌릴 수 있을까? 

한국과학기술연구원(KIST) 홍성진 교수가 이끄는 물리학자들이 이에 대해 자세히 조사했다. 그들의 실험에서 그들은 세 가지 가능한 양자 상태를 가진 광자를 "고양이"로 사용했다. 이 광자가 중첩 상태에 있는 동안 팀은 다양한 크기의 상태를 하위 측정했다.

목적은 부분 ​​측정이 중첩의 붕괴로 이어지는 정도와 사소한 교란이 되돌릴 수 있는지 여부를 결정하는 것이었다.  

▲ 양자 물리적 중첩이 부분적인 측정에 의해서만 교란된다면 양자 정보를 복구할 수 있을까? © 한국과학기술연구원(KIST)


슈뢰딩거의 고양이에 적용:

고양이의 꼬리나 뒤쪽을 볼 수 있을 만큼만 상자를 열었지만 전체 상태는 아니다. 그런 다음 그들은 이 소위 약한 측정에 의해 얼마나 많은 정보를 얻었는지, 얼마나 많은 정보가 중첩되어 정보를 유지했는지, 얼마나 많은 정보가 돌이킬 수 없을 정도로 파괴되었는지를 결정했다.

부분 측정에도 중첩(오버레이)가 남음

결과:

실제로 측정이 약한 경우에만 오버레이가 완전히 축소되지 않는다. 그 대신 정보의 일부는 방해받지 않고 그대로 유지되고 다른 부분은 방해를 받지만 다시 중첩으로 가져올 수 있다. 이러한 가역적인 부분 측정에서는 팀이 발견한 바와 같이 전환된 정보의 정도가 중요하다.

"측정값이 얻는 정보가 많을수록 중첩 상태가 더 많이 교란되고 이 교란이 가역적이지 않다"고 홍교수와 동료들은 설명했다. "정보의 다양한 부분이 상호 연관돼 있어 동시에 세 가지 모두에 영향을 미치기 때문이다." 이것은 부분 측정의 범위가 변경되더라도 간섭 없이 또는 가역 간섭 없이 여전히 전송될 수 있는 정보 부분을 의미한다. 
▲ 그 동안 읽고 복구된 방해받지 않은 양자 정보의 일부다. © 한국과학기술연구원(KIST)

눈치 채지 못하게 도청하는 것 작동하지 않아

실험을 통해 제3자의 측정을 통한 양자 정보의 비밀 "도청"이 감지되지 않고 가능하지 않다는 것도 확인했다. 사용 가능한 정보를 추출하기 위해 데이터 도둑은 중첩이 축소될 정도로 부분 측정을 확장해야 하고 정당한 수신자가 이를 알아차릴 수 있기 때문이다.

연구원들은 "이는 양자 공간의 약한 측정과 비교해 양자 암호의 보안을 강화한다"고 말했다. 동시에 그들의 발견은 양자 통신을 최적화하는 데 도움이 될 수 있다.
(Physical Review Letters, 2022; doi:10.1103/PhysRevLett.128.050401)
출처:National Research Council of Science & Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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