양자 중첩

바닥에 세워둔 동전을 손가락으로 힘껏 튕겨 돌려보세요. 팽팽 돌고 있는 동전을 보면서 지금 앞면인지 뒷면인지 말할 수 있을까요? 멈추기 전까지는 앞면인지 뒷면인지 말하기 어렵죠. 마치 앞면과 뒷면이 섞여 있는 것처럼 보여요.

우리가 사는 눈에 보이는 세상에서는 손으로 동전을 탁 덮는 순간 결과가 확인돼요. 다만 도는 동전은 사실 매 순간 한쪽 방향을 향하고 있어서 진짜 중첩과는 달라요. 직관을 돕는 그림일 뿐이죠. 원자나 전자처럼 극도로 작은 양자 역학의 세계에서는 어떤 한 가지 상태로 딱 정해져 있는 것이 아니라, 여러 상태가 안개처럼 겹쳐서 존재해요. 이렇게 겹친 가능성들은 간섭이라는, 동전에는 없는 효과를 일으켜요.

이를 물리에서는 중첩이라고 불러요. 빛이나 전자는 관측이라는 행동을 하기 전까지 스스로 '이곳' 혹은 '저곳'을 선택하지 않아요. 수많은 가능성을 동시에 모두 끌어안은 채 파동처럼 퍼져 있답니다.

오스트리아의 물리학자 슈뢰딩거는 미시 세계의 규칙을 고양이 같은 큰 사물에까지 그대로 적용하면 얼마나 이상해지는지 꼬집기 위해 유명한 고양이 상자 이야기를 꺼냈어요. 밀폐된 상자 안에 독가스 장치와 방사성 원자, 그리고 살아있는 고양이를 함께 넣는 상상 속 실험이에요. 원자가 붕괴하면 독가스가 나오고 고양이는 죽게 돼요.

양자역학을 고양이에까지 단순하게 그대로 적용하면, 우리가 상자 뚜껑을 열어 안을 들여다보기 전까지 원자는 붕괴한 상태와 붕괴하지 않은 상태로 중첩되어 있어요. 그렇다면 고양이 역시 살아있는 상태와 죽어있는 상태가 반반씩 겹쳐진 기괴한 모습이어야 해요.

물론 현실의 고양이에게서 이런 상태가 관찰되지는 않아요. 큰 물체는 주변과 끊임없이 상호작용하면서 중첩이 금세 깨지기 때문(결어긋남)이라고 설명해요. 한편 아주 작은 전자 하나는 관측 장치로 찰칵 사진을 찍는 순간에야 비로소 한 점으로 모여들어요. 측정 장치와 상호작용하는 순간 가능성이 하나로 굳어지는 것을 흔히 '파동함수의 붕괴'라고 부르는데, 그 정체는 해석마다 다르게 설명해요. 붕괴를 아예 가정하지 않는 해석도 있어요. 어느 쪽이든 사람이 눈으로 봐야 결정되는 것은 아니에요.

조금 더 정확히 말하면, 중첩은 단순히 '결과가 미리 정해져 있는데 우리가 모를 뿐'인 상태가 아니에요. 그런 설명으로는 간섭 같은 실험 결과를 설명할 수 없거든요. 다만 파동함수가 실제로 무엇을 뜻하는지는 지금도 해석이 갈려요.

이 신비로운 성질은 미래 기술인 양자 컴퓨터의 핵심 엔진이 돼요. 일반 컴퓨터의 정보 단위인 비트(bit)는 0이나 1 중 하나의 값만 가질 수 있어요. 스위치가 켜지거나 꺼진 상태 둘 중 하나만 선택하는 셈이죠.

반면에 양자 컴퓨터의 큐비트(qubit)는 0과 1의 상태를 동시에 가질 수 있어요. 하지만 큐비트를 실제로 재어 보면 결국 0이나 1 중 하나만 나와요. 그래서 양자 컴퓨터는 정답이 나올 확률만 커지도록 파동을 서로 간섭시키는 특별한 계산법을 써요. 덕분에 소인수분해나 탐색처럼 특정한 문제에서만 훨씬 빨라지고, 모든 계산이 저절로 빨라지는 것은 아니에요.