양자 결어긋남, 큰 물체에서 중첩이 보이지 않는 이유

양자 결어긋남은 양자 상태가 주변 환경과 상호작용하면서 중첩의 특성을 빠르게 잃어버리는 현상이다. 전자나 원자처럼 작은 입자는 여러 상태가 겹친 중첩 상태로 있을 수 있지만, 큰 물체는 공기 분자, 빛, 열과 끊임없이 부딪친다. 이 부딪힘이 중첩 상태의 정보를 환경 곳곳으로 흩어 버리기 때문에, 일상 크기의 물체에서는 중첩이 사실상 관찰되지 않는다. 슈뢰딩거의 고양이가 현실에서 반쯤 살아 있지 않은 이유의 상당 부분이 여기 있다.

중첩은 왜 작은 세계에서만 보이나

양자역학에서 입자는 측정하기 전까지 여러 가능성이 겹친 상태로 있을 수 있다. 전자 하나가 두 개의 좁은 틈을 동시에 지나가며 스스로와 간섭하는 이중 슬릿 실험이 대표적인 예다. 이 간섭 무늬는 전자가 두 길을 동시에 갔다는 증거로 읽힌다.

그런데 우리가 사는 세계의 물체는 이런 행동을 보이지 않는다. 의자가 방의 두 곳에 동시에 있는 것을 본 사람은 없다. 같은 물리 법칙이 작은 세계와 큰 세계 모두에 적용된다면, 왜 이런 차이가 생길까. 이 질문은 양자역학이 처음 나왔을 때부터 물리학자들을 괴롭혀 왔다.

환경은 어떻게 중첩을 지우나

결어긋남 이론의 핵심은 어떤 물체도 완전히 고립되어 있지 않다는 사실이다. 큰 물체는 1초에도 엄청나게 많은 공기 분자와 빛 알갱이와 부딪친다. 부딪힐 때마다 그 분자와 빛은 물체가 어디에 있는지에 대한 정보를 조금씩 가져간다.

물체가 두 위치의 중첩 상태라면, 각 위치에서 튕겨 나간 빛은 서로 다른 방향으로 날아간다. 이 순간 물체의 상태는 주변 환경과 얽힌다. 그러면 두 위치 사이의 간섭, 곧 중첩다운 성질을 보려면 물체뿐 아니라 흩어진 모든 빛과 분자까지 한데 모아 측정해야 한다. 이것은 현실적으로 불가능하다. 우리가 물체만 들여다보면, 마치 처음부터 한 위치에 있었던 것처럼 보인다.

이 과정은 물체가 클수록 엄청나게 빠르다. 먼지 한 톨만 해도 공기 중에서 중첩이 유지되는 시간은 상상하기 어려울 만큼 짧다. 고양이처럼 큰 물체라면 말할 것도 없다.

대상	주변과의 상호작용	중첩이 유지되는 정도
진공 속 극저온의 원자	매우 적음	비교적 오래 유지
상온 공기 중의 큰 분자	많음	매우 짧음
먼지, 고양이 같은 물체	압도적으로 많음	사실상 관찰 불가

결어긋남은 측정 문제를 해결했나

결어긋남은 왜 큰 물체에서 간섭이 보이지 않는지를 잘 설명한다. 하지만 모든 것을 해결하지는 못한다. 결어긋남 이후에도 수학적으로는 여러 가능성이 환경과 얽힌 채 남아 있다. 그 가운데 왜 하필 하나의 결과만 우리가 경험하는지, 곧 측정 때 하나의 결과가 '선택'되는 과정은 결어긋남만으로 설명되지 않는다는 지적이 많다. 이 부분은 여전히 양자역학의 해석 문제로 남아 있다.

양자 컴퓨터는 왜 결어긋남과 싸우나

결어긋남은 양자 컴퓨터의 가장 큰 적이기도 하다. 양자 컴퓨터는 큐비트를 중첩과 얽힘 상태로 유지하며 계산한다. 그런데 큐비트가 주변의 열이나 전자기 잡음과 조금만 상호작용해도 중첩이 깨지고 계산이 틀어진다. 그래서 양자 컴퓨터는 절대영도에 가까운 극저온으로 냉각하고, 외부 잡음을 철저히 막는 장치 안에서 작동한다. 결어긋남이 일어나기 전에 계산을 끝내거나, 오류를 바로잡는 기술을 함께 써야 한다.

아직 남은 질문

물리학자들은 점점 더 큰 물체로 중첩을 만들어 보는 실험을 이어 가고 있다. 수천 개의 원자로 이루어진 분자에서도 간섭 무늬가 관찰되었고, 작은 기계 진동자를 양자 상태로 만드는 실험도 진행되었다. 양자 세계와 고전 세계 사이에 근본적인 경계가 있는지, 아니면 결어긋남을 충분히 막기만 하면 어떤 크기의 물체도 중첩 상태로 만들 수 있는지는 아직 결론이 나지 않았다.