"양자역학은 어디에 있나요?

1. 낯선 양자, 친숙한 트랜지스터

미국 "Exploration" 잡지의 온라인 버전에서 제시한 현실 세계의 양자역학의 주요 응용 중 하나는 사람들이 이미 트랜지스터에 익숙합니다.

1945년 가을, 미군은 세계 최초의 진공관 컴퓨터 에니악(ENIAC) 제조에 성공했다. 당시 기록에 따르면 이 거대 괴물의 무게는 30톤이 넘고, 작은 거주지 인근 지역을 덮었으며, 가격은 100만 달러에 달했습니다. 이러한 막대한 투자는 에너지와 공간을 많이 소비하는 진공관을 컴퓨터 발전의 역사에서 그저 지나치는 존재로 만들었습니다. 그 당시 벨 연구소의 과학자들은 이미 진공관을 대체할 수 있는 새로운 트랜지스터 개발에 박차를 가하고 있었기 때문입니다.

트랜지스터의 장점은 전자 신호 증폭기와 변환기 역할을 모두 수행할 수 있다는 것입니다. 이는 모든 현대 전자 장치의 거의 가장 기본적인 기능 요구 사항입니다. 하지만 트랜지스터의 출현에 대해 우리가 가장 먼저 감사해야 할 것은 양자역학입니다.

1930년 스탠포드 대학 연구원 유진 와그너와 그의 제자 프리드리히 자이츠가 도체 역할과 절연체 역할을 모두 수행하는 반도체의 특성을 발견한 것은 양자역학 기초 연구 분야의 획기적인 발전이었습니다. . 트랜지스터에 전압을 가하면 게이트의 기능을 구현할 수 있고, 튜브 내 전류의 전도 또는 차단을 제어할 수 있다. 이 원리를 이용하면 정보를 암호화할 수 있어 1과 0의 언어를 작성해 작동시킬 수 있다. 다음 10년 동안 Bell Labs의 과학자들은 세계 최초의 트랜지스터를 제작하고 개선했습니다. 1954년에 미군은 세계 최초의 트랜지스터 컴퓨터인 TRIDAC을 성공적으로 제조했습니다. 종종 건물만큼 부풀어 오른 이전의 신뢰할 수 없는 진공관 컴퓨터와 비교할 때 TRIDAC은 크기가 3입방피트에 불과했고 전력 소비도 100와트를 넘지 않았습니다. 오늘날 수십억 개의 마이크로프로세서가 Intel 및 AMD의 최첨단 칩에 탑재될 수 있습니다. 그리고 이 모든 것은 양자역학에 기인해야 합니다.

2. 양자간섭은 에너지 회수를 '얻는다'

우리가 아무리 존경한다고 해도 양자역학으로 대표되는 이론과 그것이 가져오는 결과를 연결하는 것은 쉽지 않습니다. 함께, 완전히 서로 관련이 없는 두 가지처럼 들리기 때문입니다. 그리고 이 '에너지 회수'가 그 예이다.

우리가 운전할 때마다 사람들은 필연적으로 부정적인 일을 하고 에너지를 낭비하게 됩니다. 엔진이 연료를 점화해 몸을 앞으로 나아가게 하는 원동력을 발생시키면 상당량의 에너지가 열의 형태로 손실되거나, 직설적으로 말하면 공기 중에 낭비되기 때문이다. 이런 상황을 위해 애리조나 대학 연구진은 양자역학의 양자 간섭 원리를 이용해 이 문제를 해결하려고 했다.

양자 간섭은 동일한 양자 시스템의 여러 다른 상태가 순수한 상태로 중첩되는 것을 의미합니다. 이는 완전히 혼란스럽게 들리지만, 연구자들은 이를 사용하여 열을 전기 에너지로 효과적으로 변환할 수 있습니다. . 게다가 이 소재는 두께가 100만분의 1인치에 불과하고 외부에서 움직이는 부품이 필요하지 않으며 작동 시 어떠한 오염도 발생하지 않습니다. 연구팀은 자동차의 배기 시스템을 이 물질로 감싸면 자동차가 100와트 전구 200개를 켤 수 있을 만큼 충분한 전기를 공급받을 수 있다고 말합니다. 이론은 혼란스러우나 숫자는 분명합니다.

따라서 팀은 새로운 소재의 미래를 확신하며 이 소재가 태양광 패널과 같이 열 손실이 존재하는 다른 영역에서 열에너지를 전기로 변환하는 역할도 할 수 있다고 판단했습니다. 그리고 우리가 알아야 할 것은 이것이 모두 양자 간섭에 의해 "완료"되었다는 것입니다.

3. 불확실한 양자, 매우 확실한 시계

보통 사람들은 일반적으로 시계가 30초 빠르든 10초 늦든 상관하지 않습니다. 하지만 미국 해군기상대처럼 한 나라의 시간을 책임지는 사람이라면 30분 30초의 오차는 허용되지 않는다. 다행스럽게도 이러한 중요한 조직 단위는 원자 시계를 사용하여 시간을 정확하게 유지할 수 있습니다. 이 원자시계는 이전에 존재했던 어떤 시계보다 더 정확합니다. 그 중 가장 강력한 것은 세슘 원자시계로, 2천만 년이 지나도 1초 이하의 오차를 유지할 수 있습니다.

이런 정확하고 혼란스러운 시계를 보고 나면 과연 과연 어떤 사람이, 어떤 상황에 이 시계를 사용하게 될지 궁금할 것입니다. 대답은 '예'입니다. 그렇게 하는 사람들이 있습니다. 예를 들어, 항공우주 엔지니어는 우주선의 비행 궤적을 계산할 때 목적지의 위치를 ​​명확하게 이해해야 합니다. 별이든 소행성이든 항상 움직이고 있습니다. 거리도 고려해야 할 요소이다. 미래에 우리 은하계의 범위를 벗어나게 되면 오차범위는 점점 작아질 것입니다.

그렇다면 양자역학은 이것들과 어떤 관련이 있을까요? 이렇게 극도로 정확한 원자시계의 경우 오류를 일으키는 가장 큰 적은 양자 잡음이다. 원자 진동을 측정하는 원자 시계의 능력을 감소시킬 수 있습니다. 이제 독일 대학의 두 연구원이 세슘 원자의 에너지 수준을 조정하여 양자 잡음 수준을 억제하는 방법을 개발했습니다. 그들은 현재 이 방법을 모든 원자시계에 적용하려고 노력하고 있습니다. 결국, 기술이 발전할수록 시간 엄수에 대한 요구도 높아집니다.

4. 퀀텀 크립토의 무적 전투

스파르타는 항상 전투에서의 용맹함과 맹렬함으로 유명하지만 사람들은 그들의 전략 능력을 과소평가할 수 없습니다. 스파르타인들은 적들이 군사 작전에 대해 미리 알지 못하도록 암호 막대라는 것을 사용하여 기밀 정보를 암호화하고 해독했습니다. 그들은 기둥 주위에 양피지를 감싸고 그 위에 메시지를 쓴 다음 양피지를 제거했습니다. 이런 식으로 스파르타 장교들은 적에게 일관되지 않은 것처럼 보이는 명령을 내릴 수 있었습니다. 실제 순서를 읽으려면 직원이 동일한 크기의 기둥에 양피지를 다시 감싸기만 하면 됩니다.

스파르타인의 단순한 기술은 오랜 암호학 역사의 시작에 불과했습니다. 오늘날 미세 물질의 이상한 특성에 의존하는 양자 암호학은 해결책이 없다고 공개적으로 선언했습니다. 양자 얽힘 효과를 이용하고 단일 광자의 편광 상태를 기반으로 하는 새로운 정보 전송 방법입니다. 누군가가 전송 네트워크에 침입할 때마다 광자 ​​빔이 혼란스러워지고 각 노드의 탐지기가 오류 수준의 증가를 지적하여 송신 측과 수신 측 모두에 무작위로 공격 경보를 발령한다는 점에서 안전합니다. 선택하면 키 값의 일부를 비교하여 모두 일치하는 경우에만 아무도 도청하지 않는 것으로 간주됩니다. 즉, 해커는 간섭의 흔적을 남기지 않고는 양자 시스템에 침입할 수 없습니다. 왜냐하면 단순히 해독을 시도하는 행위만으로도 양자 암호 시스템 자체의 상태가 변경되기 때문입니다. 따라서 해커가 일련의 암호화 정보에 대한 디코딩 키를 가로채서 획득하는 데 성공하더라도 이 작업을 완료하는 동시에 키가 변경됩니다. 따라서 합법적인 정보 수신자가 키를 확인하면 쉽게 키를 발견하고 새로운 키로 교체할 수 있습니다.

양자암호의 등장은 늘 '절대보안'의 귀환으로 여겨져 왔다. 그러나 세상에 빈틈없는 벽은 없다. 1,000년 전 바이킹 시대 해적 역사를 소유한 노르웨이인들은 양자 암호학에는 해결책이 없다는 신화를 깨뜨렸습니다. 사용자가 암호화 정보를 읽도록 오해하는 장치를 사용하여 해독을 시도하지 않고 정보를 얻었습니다. 그러나 그들은 이것이 양자 암호화가 완성된 후에는 피할 수 있는 기존 기술의 허점을 이용하는 것일 뿐이라는 점을 인정합니다.

5. 난수 생성기: 신의 '양자 주사위'

소위 난수 생성기는 옛날 드라마에 나오는 환상적이고 신비한 것이 아닙니다. 그들은 양자 역학을 사용하여 진정한 난수를 만들어냅니다. 그런데 왜 과학자들은 단순히 동전을 던지고 주사위를 굴리는 것이 아니라, 난수를 찾기 위해 양자 세계를 파고드는 수고를 하게 되는 걸까요? 대답은 다음과 같습니다. 진정한 무작위성은 양자 수준에서만 존재합니다. 실제로 과학자들은 주사위 굴림에 대한 충분한 정보를 수집하면 결과를 미리 예측할 수 있습니다. 이는 룰렛, 복권, 심지어 컴퓨터로 생성된 복권 결과에도 해당됩니다.

그러나 양자 세계에서는 모든 것이 전혀 예측 불가능하다. 막스 플랑크 대학교 광학 물리학 연구소의 연구원들은 이러한 예측 불가능성을 이용하여 "양자 주사위"를 만들었습니다.

그들은 먼저 진공 상태에서 변동을 만들어 양자 잡음을 생성한 다음 잡음에 의해 생성된 무작위 수준을 측정하여 정보 암호화, 일기 예보 등에 사용할 수 있는 진정한 난수를 얻었습니다. 이러한 종류의 주사위는 솔리드 스테이트 칩에 설치되어 다양한 사용 요구 사항을 충족할 수 있다는 점은 언급할 가치가 있습니다.

6. 레이저는 목표를 거의 놓쳤습니다

양자역학의 경험과 마찬가지로 레이저도 초기에는 '이론적 거대자, 실제 응용 난쟁이'로 간주되었습니다. 그러나 오늘날 가정용 CD 플레이어이든 극장용 미사일 방어 시스템이든 레이저는 현대 인간 사회 생활에서 핵심적인 위치를 차지하고 있습니다. 그러나 양자역학이 아니었다면 레이저에 관한 우리의 이야기는 아마도 '스쳐 지나가기'로 끝났을 것입니다.

레이저의 원리는 원자 주위를 회전하는 전자에 먼저 충격을 가해 원자가 낮은 에너지 수준으로 돌아갈 때 광자를 터뜨리게 하는 것입니다. 이 광자는 주변 원자가 동일한 변화를 겪게 하여 광자를 방출합니다. 결국, 레이저에 의해 유도된 이 광자는 우리가 레이저 광으로 볼 수 있는 안정적이고 집중된 빔을 형성합니다. 물론 이론 물리학자 막스 플랑크와 그가 발견한 양자역학의 원리 없이는 사람들이 이것을 알 수 없습니다. 플랑크는 원자의 에너지 준위가 연속적이지 않고 분산되어 있고 일관성이 없다고 지적했습니다. 원자가 에너지를 방출할 때, 양자라고 불리는 이산 값의 가장 작은 기본 단위로 에너지를 방출합니다. 레이저의 작동 원리는 실제로 특정 양자를 여기시켜 에너지를 방출하는 것입니다.

7. 극한 상황에 도전하도록 설계된 초정밀 온도계

일반 의료용 온도계를 사용하여 절대 영도보다 1% 낮은 온도를 측정한다면 이 온도계의 운명을 상상할 수 있습니다. .그리고 알아요. 그렇다면 이러한 극한 기온에 어떻게 대처해야 할까요? 예일 대학의 연구원들은 이러한 상황을 처리할 수 있는 마법의 온도계를 발명했습니다. 극한 환경에서도 강력할 뿐만 아니라 매우 정확한 값도 제공합니다.

이런 종류의 온도계를 만들기 위해 연구팀은 온도계의 디자인 아이디어를 재구성해야 했습니다. 예를 들어 정확한 수치를 얻는 방법 등이 있습니다. 다행스럽게도 과학자들은 정확성을 추구하기 위해 양자 터널을 사용하여 원하는 답을 얻었습니다. 산 표면을 오르내리는 대신 산에 구멍을 뚫는 것처럼 입자는 잠재적인 장벽을 넘을 때 양자 잡음을 생성합니다. 이러한 소음을 측정하기 위해 연구팀의 양자 온도계를 사용하면 실험 대상의 온도를 정확하게 얻을 수 있습니다.

이런 종류의 온도계는 일반 사람들의 일상 생활에는 큰 의미가 없지만 과학 실험실, 특히 극저온 환경이 필요한 재료 실험실에서 사용할 수 있습니다. 현재 연구자들은 다양한 수단을 통해 온도계의 정확도를 향상시키기 위해 계속 노력하고 있으며, 응용 범위가 확대됨에 따라 보다 극한의 과학 연구 환경에서도 이점을 누릴 수 있기를 바랍니다.

8. 누구나 양자 컴퓨터를 좋아한다

인텔의 공동 창업자인 고든 무어는 1965년 발표한 논문에서 미래의 컴퓨터 기술 발전에 대해 몇 가지 예측을 했습니다. 조잡하지만 광범위한 예측. 이들 중 가장 중요한 것은 무어의 법칙으로 알려지게 될 것입니다. 집적 회로의 평방 피트당 트랜지스터 수는 18개월마다 두 배로 늘어납니다. 이 법칙은 컴퓨터 기술의 발전에 지대한 영향을 미쳤으나, 이제 무어의 법칙은 종말을 맞이한 것 같습니다. 2020년이면 실리콘 칩이 물리적인 한계에 도달하고, 트랜지스터의 크기가 계속 작아짐에 따라 양자 세계의 다양한 법칙을 따르기 시작할 것입니다.

양자 세계의 법칙에 '적대'하는 것과 비교하면, 양자 시대에 적응하는 것이 인간의 최선의 선택일 수도 있다. 오늘날 양자 컴퓨터를 연구하는 과학자들이 바로 그 일을 하고 있습니다. 기존 컴퓨터와 비교할 때 양자 컴퓨터는 병렬 처리라는 비교할 수 없는 이점을 가지고 있습니다. 병렬 처리 기능을 갖춘 양자 컴퓨터는 기존 컴퓨터처럼 작업의 우선순위를 정할 필요 없이 동시에 여러 작업을 처리할 수 있습니다. 양자 컴퓨터의 이러한 특성은 미래에 기하급수적인 속도로 기존 컴퓨터를 능가할 운명입니다.

그러나 양자컴퓨팅이 현실화되기 위해서는 과학자들이 여전히 몇 가지 어려운 과제를 극복해야 합니다.

예를 들어, 양자 컴퓨터는 기존 비트보다 훨씬 더 높은 저장 용량을 가진 큐비트를 사용합니다. 불행하게도 큐비트는 네트워크를 동시에 형성하기 위해 다양한 입자가 필요하기 때문에 생성하기가 매우 어렵습니다. 지금까지 과학자들은 한 번에 12가지 유형의 입자만 얽힐 수 있었습니다. 양자컴퓨터가 상용화되려면 이 숫자를 적어도 수십, 심지어 수백 배는 늘려야 한다.

9. 실제 순간적인 의사소통이 무엇인지 알고 싶나요?

지난 몇 년간 양자역학이 인류에게 이룩한 성과는 매우 소중하지만 과학자들은 이를 믿을 만한 이유가 있습니다. 앞으로는 더 많이 주겠다는 것입니다.

이제 휴대폰, 문자 메시지, 이메일, MSN, Fetion 등 커뮤니케이션 도구 사이를 헤매다 보면 이른바 '순간 커뮤니케이션'에 덮쳐졌다고 생각할 수도 있다. 사실 당신이 내보내는 소리, 말, 이미지는 길든 짧든 목적지에 도달하는 데 시간이 좀 걸릴 것입니다. 오늘날 사람들이 일상적으로 사용할 수 있는 통신 방법은 극히 짧은 시간이 필요하지만, 먼 미래에는 사람들 간의 통신이 대륙에 국한되지 않고 은하계에 걸쳐 있어야 할 수도 있습니다. 예를 들어 8월 6일에는 통신 시간이 크게 늘어납니다. 올해 인간 화성탐사로봇 큐리오시티(Curiosity)가 화성에 착륙했을 때, 지구에 도달하기 위해 돌아오는 신호가 10분 이상 지연됐다. 그러나 이것은 태양계에서 지구와 화성 사이의 거리일 뿐이다. 만약 거리가 더 연장된다면, 과학자들은 오직 양자역학만이 거리에 관계없이 진정으로 '즉각적인' 통신을 이룰 수 있는 능력을 가지고 있다고 믿는다.

순간적인 소통을 현실로 만드는 열쇠는 양자얽힘으로 알려진 양자역학적 현상에 있는데, 아인슈타인은 이를 '으스스한 원거리 작용'이라고 불렀는데, 이는 얽힌 상태의 두 입자가 서로 맞물려 있다는 사실을 일컫는다. 멀리 떨어져 있더라도 한 입자에 대한 작업은 다른 입자에 영향을 미칩니다. 간단히 말하면, 입자 중 하나를 측정하거나 관찰하면 다른 입자의 상태가 그에 따라 순간적으로 변경됩니다. '텔레파시'와도 같은 이런 조화로운 행동은 고전물리학의 법칙이 설명하는 범위를 넘어섰기 때문에 아인슈타인은 이를 유령으로 여겼다. 그러나 양자 얽힘을 사용하면 입자 중 하나를 조작하여 해당 입자에 즉각적이고 상응하는 변화를 일으키고 이를 통해 "우주 메일"을 보내고 받는 작업을 완료할 수 있습니다.

그러나 이 응용 프로그램은 또한 가장 큰 문제에 직면합니다. 일부 물리학자들은 얽힌 입자가 실제로 정보를 전달할 수 없다고 주장합니다. 만약 그렇다면, 우리 목록의 다음 항목은 결코 현실이 되지 않을 것입니다.

10. SF에서 현실로의 순간이동

SF영화, 특히 우주를 주제로 한 영화는 순간이동을 가장 좋아합니다. 거대한 인물이 한 장소에서 신비롭게 사라지는데, 그럴 필요가 없습니다. 어떤 운송업체에든 운반되어 즉시 다른 장소에 나타납니다.

장거리 전송은 양자 상태 순간 이동으로, 극도로 이상한 양자 세계에서 양자가 '얽힌' 운동 상태이다. 이 상태의 광자는 전송해야 할 양자 상태를 '시간과 공간을 통해 여행'하게 하고, 어떤 운반자도 없이 한 곳에서는 신비롭게 사라지고, 다른 곳에서는 즉시 나타날 수 있는 '텔레파시'와 같다. "시간과 공간 여행"에서 전송하는 것은 더 이상 고전적인 정보가 아니라 양자 상태에 의해 전달되는 양자 정보입니다.

이전에 IBM 팀의 엔지니어 6명은 장거리 전송이 적어도 이론적으로는 완전히 가능하다는 것을 입증했습니다. 그러나 장거리 전송은 "팩스 기계"가 아니기 때문에 이 과정에서 "원본 개체"가 사라지고 원본 "문서"가 그에 의해 파괴된다는 점에 유의해야 합니다. 원본 객체를 '복사'하는 과정인 것처럼 보이지만 실제로는 원본 객체의 변경이다.

2009년 미국 메릴랜드주립대 공동양자연구소 과학자들이 '양자정보처리' 실험을 진행해 1m 떨어진 컨테이너 속 한 원자에서 다른 원자로의 전달을 성공적으로 구현했다. 양자 순간이동. 실험에서는 한 원자가 다른 원자로 변형되고, 두 번째 원자가 첫 번째 원자의 역할을 하는 것으로 '원래 전달'이라는 개념과는 다르지만, 원자 간 전달은 원자 전달이 매우 중요하다. 초고밀도 초음파 시스템 빠른 양자 컴퓨터와 양자 통신은 매우 중요합니다.

그렇습니다. 장거리 전송은 물체를 전송하는 목적으로만 가치가 있는 것이 아닙니다. 이 목표에 도달하기 전에 '신성한 영역'으로 이어지는 다양한 연구도 여러 분야에서 유용한 것으로 입증되었습니다. 많은 약속. 모든 양자역학 연구, 심지어 모든 인간 과학 활동에도 동일하게 적용됩니다.