What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

슈뢰딩거 고양이는 양자 역학에 대해 우리에게 무엇을 가르쳐 줄 수 있는가? - 조쉬 사마니( Josh Samani)

번역: 뿡 뿡 검토: Gemma Lee

Consider throwing a ball straight into the air.

공을 공중으로 똑바로 던진다고 생각해 보자.

Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand?

공이 손에서 떠난 후, 공의 움직임을 예상할 수 있을까?

Sure, that's easy.

물론 그것은 쉽다.

The ball will move upward until it gets to some highest point,

공은 최고점에 도달할 때까지 올라가다가

then it will come back down and land in your hand again.

다시 내려와 손에 떨어질 것이다.

Of course, that's what happens,

물론 그런 일이 생기는 거고

and you know this because you have witnessed events like this countless times.

이런 상황을 많이 겪어본 여러분은 이렇게 될 것을 안다.

You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life.

여러분은 삶에서 일어나는 일상적인 물리 현상들을 관찰하고 있다.

But suppose we explore a question about the physics of atoms,

하지만 수소 원자핵 주위에 있는 전자의 움직임 같은

like what does the motion of an electron

원자 물리학 문제를

around the nucleus of a hydrogen atom look like?

조사한다고 상상해보자.

Could we answer that question based on our experience with everyday physics?

실생활 물리를 경험한 것을 토대로 그 문제에 답할 수 있을까?

Definietly not. Why?

그렇지 않다. 왜일까?

Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales

시스템의 거동을 그렇게 작은 규모로 지배하는 물리학은

is much different than the physics of the macroscopic objects

항상 여러분 주위에 있는 거시적 물체의 물리학과

you see around you all the time.

매우 큰 차이가 있다.

The everyday world you know and love

여러분이 알고 사랑하는 일상 세계는

behaves according to the laws of classical mechanics.

고전 역학의 법칙에 따라 움직인다.

But systems on the scale of atoms

그러나 원자 규모의 시스템은

behave according to the laws of quantum mechanics.

양자역학의 법칙에 따라 움직인다.

This quantum world turns out to be a very strange place.

이 양자 세계는 매우 이상한 곳이다.

An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment:

이런 양자의 이상함은 유명한 사고실험으로 설명한다.

Schrödinger's cat.

슈뢰딩거의 고양이

A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box,

고양이를 특별히 좋아하지 않는 물리학자는 상자에 고양이를 넣고

along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed.

뚜껑을 닫으면 50%의 확률로 터지는 폭탄을 함께 넣는다.

Until we reopen the lid, there is no way of knowing

뚜껑을 다시 열 때까지 폭탄이 터졌는지 아닌지

whether the bomb exploded or not,

알 수 있는 방법이 없고

and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead.

따라서 고양이가 살았는지 죽었는지도 알 수 없다.

In quantum physics, we could say that before our observation

양자역학에서 관찰하기 전까지는

the cat was in a superposition state.

고양이가 중첩 상태에 있다고 말할 수 있다.

It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities,

살았는지 죽었는지가 아니라 두 가지 가능성이 섞여서

with a 50% chance for each.

각각 50%의 확률로 있다.

The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales,

그런 종류의 것들은 수소 원자를 도는 전자처럼

like an electron orbiting in a hydrogen atom.

양자 규모의 물리 시스템에서 발생한다.

The electron isn't really orbiting at all.

전자는 실제로 전혀 돌지 않는다.

It's sort of everywhere in space, all at once,

전자는 동시에 공간 어디에나 존재하고

with more of a probability of being at some places than others,

어느 곳에 모여 있을 가능성이 많다.

and it's only after we measure its position

그리고 그 위치를 측정한 뒤에야

that we can pinpoint where it is at that moment.

그 순간 그것이 있는 곳을 정확히 찾을 수 있다.

A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead

우리가 상자를 열 때까지 고양이가 살았는지 죽었는지

until we opened the box.

모르는 것과 비슷하다.

This brings us to the strange and beautiful phenomenon

이것은 '양자얽힘'이라는 이상하고 아름다운

of quantum entanglement.

현상을 가져다준다.

Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes.

한 상자에 고양이 한 마리 대신 두 상자에 고양이 두 마리를 가정하라.

If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats,

만약 슈뢰딩거의 고양이 실험을 이 두 마리에게 반복한다면

the outcome of the experiment can be one of four possibilities.

실험의 결과는 4가지 경우 중 하나일 것이다.

Either both cats will be alive, or both will be dead,

두 마리 모두 살았을 경우나 모두 죽었을 경우,

or one will be alive and the other dead, or vice versa.

한 마리만 살고 다른 한 마리가 죽었을 경우 또는 그 반대.

The system of both cats is again in a superposition state,

두 고양이가 있는 시스템은 다시 중첩 상태에 있고

with each outcome having a 25% chance rather than 50%.

각 경우가 나올 확률은 50%가 아니라 25%이다.

But here's the cool thing:

그러나 여기 멋진 게 있다.

quantum mechanics tells us it's possible to erase

양자 역학은 중첩 상태에서

the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state.

두 고양이가 살아 있거나 두 고양이가 죽은 결과를 없앨 수 있다.

In other words, there can be a two cat system,

달리 말하자면, 두 고양이 시스템이 있을 수 있고

such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead.

그 결과는 항상 하나는 살고 다른 하나는 죽는다는 것이다.

The technical term for this is that the states of the cats are entangled.

이것을 위한 기술적 서술은 고양이의 상태가 얽힌 것이다.

But there's something truly mindblowing about quantum entanglement.

그러나 양자 얽힘에 대한 진정 놀라운 사실이 있다.

If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state,

이 얽힘 상태에서 상자에 고양이 두 마리를 넣고

then move the boxes to opposite ends of the universe,

우주의 양쪽 끝에 상자를 옮긴다면

the outcome of the experiment will still always be the same.

그 결과는 언제나 같을 것이다.

One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead,

한 마리는 항상 살아있고 다른 고양이는 항상 죽는다는 것이다.

even though which particular cat lives or dies is completely undetermined

우리가 결과를 측정하기 전에 어느 고양이가 살았는지 죽었는지

before we measure the outcome.

완벽하게 결정되지 않더라도 말이다.

How is this possible?

어떻게 이것이 가능할까?

How is it that the states of cats on opposite sides of the universe

어떻게 이런 우주의 양쪽 끝에 있는 고양이 상태가

can be entangled in this way?

이렇게 얽힘 상태를 만들 수 있을까?

They're too far away to communicate with each other in time,

그들이 서로 의사소통하기에는 너무 먼데

so how do the two bombs always conspire such that

두 개의 폭탄이 항상 하나는 터지고 하나는 안 터지는

one blows up and the other doesn't?

그런 소통을 어떻게 할까?

You might be thinking,

여러분은 생각할지도 모른다.

"This is just some theoretical mumbo jumbo.

"이것은 단지 마술 같은 이론이다.

This sort of thing can't happen in the real world."

이것은 진짜 세계에서 발생할 수 없다."

But it turns out that quantum entanglement

그러나 양자얽힘은

has been confirmed in real world lab experiments.

실제 실험에서 확인되었다.

Two subatomic particles entangled in a superposition state,

두 아원자 입자들은 중첩상태에서 서로 얽히고

where if one spins one way then the other must spin the other way,

거기서 한 개가 한 방향으로 회전하면

will do just that, even when there's no way

다른 하나는 다른 방향으로 회전해야 한다.

for information to pass from one particle to the other

얽힘의 법칙을 따르기 위해 어느 방향으로 돌아야 한다는

indicating which way to spin to obey the rules of entanglement.

정보의 소통이 한 입자에서 다른 입자로 가지 않는데도.

It's not surprising then that entanglement is at the core

거시적 세계에서 이상한 양자 세계의 법칙을 사용하는 방법을

of quantum information science,

연구하는 분야인

a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world

'양자 정보 과학'의 중심에 그런 얽힘이 있는 것은

in our macroscopic world,

놀라운 일이 아니다.

like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other,

이것을 이용해 양자 암호화에서처럼 간첩들은 서로 비밀 메세지를 보낼 수 있고

or quantum computing, for cracking secret codes.

또는 양자 컴퓨팅에서 암호를 해독할 수 있다.

Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world.

일상의 물리학이 이상한 양자 세계처럼 보일 지도 모른다.

Quantum teleportation may even progress so far,

양자 원거리 이동은 지금까지 발전되고 있고

that one day your cat will escape to a safer galaxy,

언젠가 여러분의 고양이는 안전한 은하로 탈출할 것이고

where there are no physicists and no boxes.

거기서는 물리학자도 상자도 없다.