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슈뢰딩거의 고양이는 1935년 오스트리아의 물리학자 에르빈 슈뢰딩거가 양자역학 이론의 불완전함을 드러내기 위해서 고안한 사고실험에 나오는 가상의 고양이를 말한다. 슈뢰딩거는 자신이 만든 파동방정식의 해(파동함수)가 확률을 뜻한다는 막스 보른의 주장을 반박하기 위해 이 사고실험을 고안해냈다.
사고실험의 내용은 다음과 같다. 고양이는 외부 세계와 완전히 차단된 상자 속에 들어 있고, 이 상자에는 청산가리가 들어있는 병이 방사능이 검출되는 가이거 계수기에 밸브로 연결되어 있다. 시간당 50% 확률로 붕괴하는 라듐 알파입자가 붕괴하여 방사능이 나오면 계수기가 검출하는 순간 연결된 망치가 내리쳐져 유리병을 깨고 청산가리를 방출하여 고양이가 죽게 설정돼 있다.
따라서 한 시간 뒤 고양이는 50%의 확률로 살아 있거나 죽어 있을 것이다. 양자역학에서는 이때 고양이는 죽은 상태와 산 상태가 ‘중첩’되어 있다고 보며, 상자를 여는 순간 확률이 붕괴되어 둘 중 하나의 상태로 결정된다는 것이다. 슈뢰딩거는 고양이에게 그런 상태에 있을 수 없기 때문에 양자역학의 확률 해석은 틀렸다고 주장한다.
새 연구는 아원자 입자의 신비한 행동을 설명하는 이 사고실험에서 불행한 가상의 고양이를 영구히 죽이지 않고도 상자 속을 들여다볼 수 있는 방법을 제안한 것으로, 이를 통해 물리학에서 가장 근본적인 역설 중 하나에 대한 과학자의 이해를 증진시킨다.
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대표저자 호프만과 히로시마 대학교 학부생으로 연구에 참여한 카르틱 파테카는 슈뢰딩거의 고양이를 엿보기 위해 ‘대상을 변화시킴 없이 관측하는’ 기법에 대해 연구했다. 그들은 초기 상호작용(고양이를 바라 보는)과 판독 값(생존 또는 사망 여부를 구분)을 분리하는 수학적 프레임을 만들었다.
호프만은 "우리의 주요 동기는 양자 측정이 이루어지는 방식을 매우 주의 깊게 살펴보는 것이며, 핵심은 측정을 두 단계로 분리하는 것“이라고 밝혔다.
그렇게 함으로써 호프만과 파테카는 고양이의 상태에 대한 정보를 전혀 손실 없이 초기 상호작용에 관련된 모든 광자를 잡아내 고양이를 관측할 수 있다고 가정했다. 따라서 판독하기 전에 고양이의 상태(또한 고양이의 모습과 변화)에 대한 모든 정보를 계속 사용할 수 있다. 우리가 측정을 읽을 때만 정보가 손실된다. 호프만은 “흥미로운 점은 판독 프로세스가 두 가지 유형의 정보 중 하나를 선택하고 다른 정보를 완전히 삭제한다는 것”이라고 밝혔다.
슈뢰딩거의 고양이와 관련한 그들의 작업방법은 다음과 같다. 고양이가 여전히 상자 안에 있지만, 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 확인하기 위해 내부를 들여다보는 대신 상자 안에 사진을 찍을 수 있는 카메라를 설치한다. 사진이 촬영되면 카메라에는 두 종류의 정보가 담긴다. 사진을 찍은 결과로 고양이가 어떻게 변했는지(연구자들이 양자 태그라고 부르는 것)와 상호작용 후 고양이가 살아 있는지 또는 죽었는지 여부다. 그 정보 중 어느 것도 아직 손실되지 않았다. 이미지를 ‘현상’하는 방법에 따라 하나 또는 다른 정보를 확보한다.
호프만은 동전 던지기를 생각해 보라고 한다. 동전이 던져졌는지 또는 던져진 동전이 앞면인지 뒷면인지 선택할 수 있다. 그러나 둘 다 알 수는 없다. 또한 퀀텀 시스템이 어떻게 변경되었는지 알고 그 변경사항을 되돌릴 수 있으면 초기 상태를 복원할 수 있다.(동전의 경우 다시 뒤집는 것)
호프만은 “시스템을 먼저 방해하지 않을 수 없지만 때로는 그렇게 하지 않을 수도 있다”고 말했다. 고양이의 경우, 그것은 사진을 찍는 것을 의미하지만, 고양이를 명확하게 볼 수 있도록 현상하는 대신, 고양이를 삶과 죽음의 중간 상태로 되돌릴 수 있는 방식으로 현상한다.
결정적으로, 판독의 선택은 측정의 분해능과 그 측정방해를 교환하는 방식으로 이루어지는데, 이는 정확하게 등가이다. 해상도는 퀀텀 시스템에서 추출된 정보의 양을 나타내며 방해는 시스템의 불가역 변화의 정도를 나타낸다. 다시 말해, 고양이의 현재 상태에 대해 더 많이 알수록 상태는 불가역적으로 변화한다. 호프만 교수는 “놀라운 점은 측정을 방해하지 않는 능력이 측정하는 정보량과 직접 관련이 있다는 것”이라고 밝혔다.
이번 연구에 참여하지 않은 호주국립대학 물리학자 마이클 홀은 “이전 연구에서 양자 측정에서 분해능과 방해 사이의 교환을 지적했지만, 이 논문은 그 관계를 최초로 정량화한 이론”이라고 평가하면서 “내가 아는 한, 이전 연구는 분해능과 측정 교란에 관한 정확한 등가 관계를 밝혀내지 못했지만, 이 논문의 접근방식은 매우 깔끔하게 보인다“고 평가했다.
이광식 칼럼니스트 joand999@naver.com
