양자 지우개 실험을 통해 본 관측과 파동 함수의 붕괴

Question

영의 이중슬릿 실험에서 전자가 어느 슬릿을 통과했는지 관측하는 정보를 얻는 순간 간섭무늬가 사라지고, 그 관측 정보를 지우면 다시 간섭무늬가 살아나는 양자역학적 원리가 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

간섭무늬는 입자가 두 슬릿을 지나는 경로의 확률 진폭 ψ₁과 ψ₂가 더해져 생겨요. 화면의 확률은 |ψ₁ + ψ₂|²이고, 이를 풀면 나오는 교차항 2Re(ψ₁*ψ₂)가 밝고 어두운 줄무늬를 만들어요.

경로를 알아내려면 입자를 다른 무언가와 상호작용시켜야 해요. 예를 들어 광자가 슬릿 1을 지나면 편광이 수평, 슬릿 2면 수직이 되도록 표시를 붙이면 상태가 ψ₁|H⟩ + ψ₂|V⟩로 얽혀요. 이때 교차항에 ⟨H|V⟩가 곱해지는데, 두 편광은 직교해서 이 값이 0이 되니 줄무늬가 사라져요. 사람이 실제로 결과를 보든 안 보든 경로 정보가 어딘가에 남아 있기만 하면 간섭이 없어져요.

지우개는 이 표시를 45° 편광판처럼 H와 V를 구분하지 못하는 기준으로 다시 측정하는 장치예요. 그 결과로 검출 기록을 나누면 한 묶음에서는 원래 무늬가, 다른 묶음에서는 반 칸 어긋난 무늬가 나타나요. 그런데 둘을 합친 전체 화면은 여전히 흐릿한 덩어리라서, 지우개를 쓴다고 과거가 바뀌거나 정보가 빛보다 빨리 전달되지는 않아요 :)

Answer 2

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

양자 지우개 실험은 관측자의 물리적 개입이 아닌 경로 정보의 존재 유무가 결맞음과 간섭무늬 발생을 결정함을 명확히 보여줍니다 입자가 어떤 슬릿을 지났는지 알아낼 수 있는 상태에서는 파동함수가 단일 상태로 붕괴하거나 양자 얽힘으로 인해 개별 입자의 중첩 상태가 깨지면서 입자성이 나타나 간섭무늬가 사라집니다. 그러나 감지기를 통과하며 측정 장치와 얽힌 결맞음 상태를 유지한 채로 재결합 과정을 통해 그 측정 정보를 물리적으로 알아낼 수 없도록 지워버리는순간 파동함수의 중첩 관계가 복원됩니다 이로 인해 사라졌던 파동적 간섭성이 다시 드러나 스크린상에 재구성된 간섭무늬가 살아나게 됩니다 결국 양자역학에서 관측이란 의식의 개입이 아닌 정보의 결합 및 소멸 과정이며 정보의 가용 가능성 자체가 파동성과 입자성의 상호배타적인 상쇄 관계를 결정하는 핵심 원리입니다

Answer 3

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

양자 지우개 실험은 어느 슬릿을 지났는지 알려주는 정보의 유무에 따라서 상태가 달라지죠. 왜냐하면은 전자가 진행할 경로를 알게 되는 순간 파동성이 사라지고 입자처럼 움직이기 때문입니다. 이때 위치를 측정한 정보가 생기면은 화면 속에 간섭 무늬가 깔끔하게 사라져 버립니다. 그래서 관측 정보를 얻는 행동 자체가 파동 함수를 붕괴시키는 원인이 되는 거죠.

하지만 나중에 그 관측 정보가 지워 버리면 간섭 무늬가 다시 나타납니다. 왜냐하면 어떤 슬릿을 지났는지 알 수 없게 만들면서 입자가 다시 파동의 성질을 되찾게 되는 거죠. 거기다가 이미 측정이 끝난 뒤에 정보를 지워도 똑같은 결과가 나옵니다. 그러니까 양자 세계에서는 정보의 존재 여부가 물질의 성질을 결정한다고 이해하시면 좋을 것 같습니다.

Answer 4

안녕하세요. 박재화 전문가입니다.

양자 지우개 실험에서 핵심은 사람이 관측했느냐보다 어느 경로를 지났는지 구별할 수 있는 정보가 물리적으로 남았느냐입니다.

두 슬릿의 경로 정보가 다른 입자나 검출기 상태와 얽히면 두 경로의 위상관계가 흐트러져 전체 화면에서는 간섭무늬가 사라질 수 있습니다. 이후 경로를 구별할 수 없도록 정보를 측정하면, 특정 측정 결과와 짝지어 골라 본 데이터에서는 다시 간섭 무늬가 나타날 수 있는 것입니다.

다만 이미 사라진 전체 간섭무늬가 과거로 돌아가 되살아나는 이런 것이 아니라, 서로 반대 모양의 간섭 패턴들이 전체 데이터에서는 서로 상쇄됩니다. 따라서 양자 지우개는 미래의 측정이 과거를 바꾸는 실험이 아니라 어떤 정보를 기준으로 데이터를 분류하느냐에 따라 간섭성이 드러나는 실험으로 볼 수 있습니다.

이것의 핵심은 인간의 의식이 파동함수를 붕괴시키는 것이 아니라 경로 정보와 양자 얽힘이 간섭 가능성을 결정한다는 점이라고 생각하시면 되겠습니다.

Answer 5

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

어느 슬릿을 통과했는지에 대한 경로정보가 존재하는지 여부입니다. 경로 정보가 남아 있으면 간섭무늬가 사라지고 그 정보를 나중에라도 지우면 간섭무늬가 되살아난답니다. 즉, 파동 함수의 붕괴는 관측 자체가 아니라 정보가 외부로 새어 나가 환경과 얽히는 순간 발생한다고 볼 수 있습니다.