세상에서 가장 무거운 ‘슈뢰딩거 고양이’가 탄생했다.

스위스 연방공과대학(ETH Zurich)의 과학자들은 최근 지금까지 가장 무거운 “슈뢰딩거 고양이”를 만들었다고 발표했다. 이 논문은 과학저널 사이언스에 발표됐다.

이번 연구는 양자 중첩의 영역을 한층 넓힌 것으로 평가받는다.

새롭게 탄생한 슈퍼 ‘슈뢰딩거 고양이’는 16마이크로그램의 크리스털로 작은 모래 알갱이 하나의 질량이다. 우리에게 친근한 고양이보다는 훨씬 작고 가볍지만 이전에 이런 종류의 실험에 사용된 원자나 분자보다는 몇십 억배 더 무겁다.

이거 무슨 소리냐고요? 슈퍼 ‘슈뢰딩거 고양이’ 탄생의 진정한 의미를 알기 위해선 오리지널 ‘슈뢰딩거 고양이’를 알아보자.

양자물리학자가 아니더라도 유명한 ‘슈뢰딩거의 고양이’는 한 번쯤 들어봤을 것이다. 슈뢰딩거는 잘 알다시피 양자역학의 수학적 기술인 슈뢰딩거방정식을 개발해 양자역학 발전에 핵심적인 역학을 한 물리학자이다.

그러나 슈뢰딩거는 보어 등이 제창한 코펜하게 해석을 도무지 수용할 수 없었다. 특히 그는 파동방정식의 솔루션인 ‘파동함수의 확률해석’을 극구 반대했다. 그는 파동함수로 표시되는 물질파를 실제로 존재하는 파동이라고 생각했고, 파동함수에 나타나는 양(복소수)도 무언가 실제의 양을 나타내는 것이 틀림없다고 확신했다.

그러나 보어 등이 제창한 코펜하겐 해석은 물질파의 물리적 정체 탐구를 포기하고, 그 대신 파동함수의 절대값의 제곱이 전자를 발견할 확률과 비례한다는 ‘파동함수의 확률해석’을 내놓았다.

슈뢰딩거는 또 코펜하겐 해석 중 ‘파동함수의 붕괴’, ‘중첩 원리’, ‘모든 물리량은 관측 가능할 때만 의미를 갖는다’는 등의 ‘관측 문제’ 관련 항목들도 결코 납득할 수 없었다. 슈뢰딩거는 아인슈타임과 함께 인간의 관측에 좌우되지 않는 ‘물리적 실재’가 있다고 믿었다.

마침내 슈뢰딩거는 코펜하겐 해석에 크게 반발해 아인슈타인과 함께 양자론의 강력한 비판자로 돌아섰다. 그는 1935년 “코펜하겐 해석은 터무니 없다”는 것을 강조하기 위해 사고실험을 고안했다. 그게 바로 “슈뢰딩거 고양이”이다.

‘슈뢰딩거 고양이’ 사고실험 장치는 다음과 같다.

안을 볼 수 없는 상자 안에 방사성 물질과 방사선 검출장치, 그리고 시안화칼륨(청산가리)이 든 플라스크를 설치한다. 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키면 방사선을 방출한다. 이를 감지한 방사선 검출장치는 청산가리 플라스크를 깨뜨리도록 장치를 구성한다. 이 상자 안에는 살아 있는 고양이를 넣어 둔다. 만약 방사성 물질이 붕괴하여 방사선을 내보내면 청산가리 독가스가 발생해 고양이는 죽을 것이다. 방사성 물질이 붕괴하지 않으면 고양이는 살 수 있다. 방사성 물질이 한 시간 이내에 붕괴할 가능성은 50%라고 가정하자. 한 시간 후 고양이의 운명은 어떻게 될까.

고양이의 생사는 상자를 열어보면 금방 안다. 그러나 슈뢰딩거가 문제로 삼은 것은 뚜껑을 열기 전의 고양이 상태이다.

이 사고실험의 함의를 알기 위해 양자역학의 논리를 적용해 상자 안의 상태를 예상해보자. 방사성 물질이 원자핵 붕괴를 일으키는 현상은 양자역학으로 기술된다. 관측 전의 방사성 물질의 상태는 ‘원자핵 붕괴를 일으킨 상태’와 ‘원자핵 붕괴를 일으키지 않은 상태’가 반반씩 겹쳐져(superposition) 있다. 양자역학에 따르면 관측 전에는 여러 확률파동이 겹쳐져 있다.

그렇다면 뚜껑을 열기 전까지 고양이의 상태는 어떻게 표현해야 할까. 원자핵이 붕괴했다면 고양이는 이미 죽은 상태일 테고, 붕괴하지 않았다면 고양이는 산 상태일 것이다. 그런데 방사성 물질은 ‘원자핵이 붕괴를 일으킨 상태’와 ‘일으키지 않은 상태’로 겹쳐 있다. 그렇다면 고양이도 산 상태와 죽은 상태가 겹쳐 있는 것일까? 반생반사 고양이 혹은 살아 있으면서 동시에 죽어 있는 고양이? 어떤 상상을 하더라도 터무니 없는 일이다.

슈뢰딩거는 고양이라는 거시세계의 생물을 등장시켜 확률파동의 중첩과 붕괴를 ‘말이 안 된다’고 논증한 것이다.

양자역학의 불완전함을 보이기 위해 고안된 ‘슈뢰딩거 고양이’가 오늘날에는 양자역학의 마스코트가 된 것은 아이러니가 아닐 수 없다.

사고실험 ‘슈뢰딩거 고양이’의 핵심적인 질문은 다음과 같다: 양자 중첩이 끝나고, 현실이 하나의 가능성을 ‘선택’하는 시점은 언제인가?

이 질문을 좀 쉬운 말로 바꾸면, ‘양자 상태와 거시 상태, 혹은 양자물리학과 고전물리학의 경계는 어디인가?’가 된다.

이 질문의 답을 찾기 위해 ETH Zurich의 과학자들이 실제 ‘슈뢰딩거 고양이’ 실험을 수행한 것이다.

물론 실험실에서는 몇 킬로그램에 달하는 실제 고양이를 대상으로 실험한 것은 아니다. 대신 연구팀은 원래 원자를 나타내는 초전도 회로와 함께 고양이를 나타내는 진동 결정을 사용하여 소위 ‘슈뢰딩거 고양이’ 상태를 만들었다. 그 회로는 본질적으로 논리 상태 "0" 또는 "1", 또는 두 상태의 중첩인 "0+1"을 취할 수 있는 양자비트 또는 큐비트이다. 큐비트와 크리스털 ‘슈뢰딩거 고양이’ 사이의 연결 고리는 가이거 계수기와 독이 아니라 진동하는 동안 크리스털이 모양을 바꿀 때 전기장을 생성하는 압전 재료 층이다. 그 전기장은 큐빗의 전기장과 결합될 수 있고, 따라서 큐빗의 중첩 상태가 크리스털로 전달된다.

물론 이 실험에서는 오리지널 ‘슈뢰딩거 고양이’가 살아 있는지 혹은 죽었는지 대신 크리스털이 ‘위로’ 또는 ‘아래로’ 진동하는지 여부가 관심 사항이다. 고양이와 마찬가지로 크리스털의 상태는 양자 방아쇠(이 경우 전기장을 생성하는 초전도 회로)와 연결되어 있으며, 이 전기장은 양자 사이의 물질에 대한 크리스털의의 진동에 의해 생성된 다른 전기장과 상호 작용한다.

실험 결과 크리스털은 동시에 두 방향(예: 위/아래 및 아래/위)으로 진동하는 것을 확인했다. 이 두 방향은 고양이의 ‘살아있는’ 또는 ‘죽은’ 상태를 나타낸다.

“크리스털의 두 가지 진동 상태를 중첩시킴으로써 16마이크로그램의 ‘슈뢰딩거 고양이’를 효과적으로 만들었다."라고 추 교수는 설명했다.

그것은 대략 작은 모래 알갱이의 질량이고 ‘실제 고양이’의 질량에는 전혀 미치지 못하지만 여전히 원자나 분자보다 수십억 배 더 무겁기 때문에 지금까지 가장 뚱뚱한 ‘양자 고양이’가 되었다.

이번 연구는 양자물리학의 영역을 그 어느 때보다 거시적 규모에 가깝게 만들었다.

이번 연구는 순전히 이론적인 영역에 그치지 않는다. 연구팀은 이 크리스털을 이용해 한층 강력한 양자 컴퓨터 또는 잠재적으로 암흑물질 및 중력파의 탐지기를 만들 수 있다고 말했다.

The world's heaviest 'Schrödinger’s cat' was born.

At ETH, a team of researchers led by Yiwen Chu, professor at the Laboratory for Solid State Physics, has now created a substantially heavier Schrödinger’s cat by putting a small crystal into a superposition of two oscillation states.

Their results, which was published in the scientific journal Science(20 Apr 2023), evaluated as further expanding the realm of quantum superposition.

Scientists at ETH Zurich have made progress in creating heavier Schrödinger cats, which can be alive (top) and dead (bottom) at the same time. (Image: Yiwen Chu / ETH Zurich)

The newly born super ‘Schrödinger Cat’ is a 16microgram crystal, the mass of a tiny grain of sand. It is much smaller and lighter than our familiar cat, but it is billions of times heavier than the atoms and molecules previously used in experiments of this kind.

What are you talking about? To understand the true meaning of the birth of the super ‘Schrödinger’s Cat’, let’s look at the original ‘Schrödinger’s Cat’.

Even if you are not a quantum physicist, you must have heard of the famous ‘Schrödinger’s Cat’ at least once. As is well known, Schrödinger is a physicist who ctrated the Schrödinger equation, a mathematical description of quantum mechanics, and played a key role in the development of quantum mechanics.

However, Schrödinger could not accept the Copenhagen interpretation proposed by Bohr and Copenhagen School. In particular, he strongly opposed the “probabilistic interpretation of the wave function,” a solution to the wave equation. He considered the matter wave represented by the wave function to be a wave that actually existed, and was convinced that the quantity (complex number) appearing in the wave function must also represent a real quantity.

However, the Copenhagen interpretation advocated by Bohr and others abandoned the search for the physical identity of matter waves, and instead presented the “probability interpretation of the wave function”.

Schrödinger could also never understand the items related to the ‘observation’ of Copenhagen interpretation, such as ‘the collapse of the wave function’, ‘the superposition principle’, and ‘all physical quantities have meaning only when they are observable’. Schrödinger, along with Einstein, believed that there was a “physical reality” that was not subject to human observation.

Eventually, Schrödinger reacted strongly against the Copenhagen Interpretation and turned, along with Einstein, into strong critics of quantum theory. He devised a thought experiment in 1935 to emphasize that "the Copenhagen interpretation is absurd." That's what "Schrödinger's cat" is.

The ‘Schrödinger Cat’ thought experiment device is as follows.

A radioactive material, a radiation detection device, and a flask containing potassium cyanide are installed in a box that cannot be seen inside. When radioactive substances cause nuclear decay, they emit radiation. Sensing this, the radiation detection device configures the device to break the cyanide flask. A live cat is placed in this box. If the radioactive material decays and releases radiation, cyanide poison gas will be released and the cat will die. If the radioactive material doesn't decay, the cat can live. Assume that the radioactive material has a 50% chance of decaying within an hour. What will be the cat's fate after an hour?

A cat's life and death can be known as soon as you open the box. However, what Schrödinger took issue with is the state of the cat before opening the lid.

To understand the implications of this thought experiment, let's apply the logic of quantum mechanics to predict the state inside the box. The phenomenon in which radioactive materials cause atomic nuclei to decay is described by quantum mechanics. The state of the radioactive material before observation is a superposition of the state in which the nuclear decay occurred and the state in which the nuclear decay did not occur.

Then, how should the cat's condition be expressed until the lid is opened? If the radioactive material decayed, the cat would have died; otherwise, the cat would have been alive. However, radioactive materials are superposed with 'a state in which the atomic nucleus decayed' and 'a state in which it did not'. Then, do cats have puperposed states of being alive and dead? A half-living, half-dead cat or a cat that is alive and dead at the same time? Any imagination is absurd.

Schrödinger introduced a cat, a creature from the macroscopic world, and argued that the superposition and collapse of the wave function was 'nonsense'.

It is ironic that the 'Schrodinger’s cat', which was designed to show the incompleteness of quantum mechanics, has become the mascot of quantum mechanics today.

The central question of the thought experiment 'Schrödinger's cat' is: at what point does quantum superposition end and reality “choose” one possibility or another?

If we put this question into simple terms, it becomes ‘Where is the boundary between quantum state and macroscopic state, or between quantum physics and classical physics?’.

To find the answer to this question, scientists at ETH Zurich conducted an actual ‘Schrödinger cat’ experiment.

Of course, in the laboratory, They can not realized such an experiment with an actual cats weighing several kilograms. Instead, the team originally created a so-called "Schrödinger's cat" state by using a oscillating crystal representing a cat along with a superconducting circuit representing atoms. The circuit is essentially a quantum bit or qubit that can assume the logical state "0" or "1", or a superposition of the two states "0+1". The link between the qubit and the crystal 'Schrödinger’s cat' is not a Geiger counter and poison, but a layer of piezoelectric material that creates an electric field when the crystal changes shape while oscillating. That electric field can be coupled to the qubit's electric field, and hence the superposition state of the qubit can be transferred to the crystal.

In this experiment, the question here isn’t whether the crystal is alive or dead but whether it’s oscillating “up” or “down.” Like the cat, the crystal’s state is linked to a quantum trigger – in this case, a superconducting circuit that generates an electric field, which interacts with another electric field created by the oscillations of the crystal on a material between them.

As a result of the experiment, it was confirmed that the crystal oscillates in two directions (eg up/down and down/up) at the same time. These two directions indicate the 'alive' or 'dead' states of the cat.

“By putting the two oscillating states of the crystal in a superposition, we have effectively created a Schrödinger’s cat weighing 16 micrograms”, explains Chu.

It's roughly the mass of a tiny grain of sand, and while it's nowhere near the mass of a 'real cat', it's still billions of times more massive than an atom or molecule, making it the fattest 'quantum cat' ever.

This research brings the realm of quantum physics closer to the macroscopic scale than ever before.

This research is not limited to purely theoretical areas. The team said the crystals could make more robust quantum computers or potentially future detectors for dark matter and gravitational waves.

<pinepines@injurytime.kr>