양자 컴퓨팅 2 - N/S Spin Experiment

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0. Introduction

이번에는 원자의 magnetic moment와 spin이 양자화 되어 있다는 사실을 증명한 실험인 슈테른-게를라흐 실험에 대해 간략하게 다룹니다.

1. 실험 내용

1. 은 원자 빔을 불균일한 자기장에 통과시켜 상을 맺게 한다.

2. 은 원자의 자기 모먼트는 연속된 값을 가지니 상이 맺은 부분을 관찰하면 은 원자의 자기 모먼트 분포를 알 수 있다.

3. 연속된 상이 아닌 딱 두 위치에서만 상이 맺힌 것을 관찰했다.

이는 고전 물리학으로는 설명하기 어려우며 스핀이라는 개념을 도입하여 설명하였다.

참고 동영상

1-1. 추가 실험(1)

1. N/S자기장을 통과시킨 후 N/S자기장을 또 통과사켜 상을 맺게 한다.

2. N(S)위치에 맺힌 은 원자를 다시 N/S자기장에 통과시키면 N(S)에만 상이 맺힌 것을 관찰했다.

이는 고전 물리학으로도 충분히 납득 가능한 결과이다.

1-2. 추가 실험(2)

1. N/S – W/E – N/S 자기장의 순서로 은 원자 빔을 통과시킨다.

2. NWN, NWS, SES, SEN 등등… 다양한 경로에서 상이 맺힌 것을 관찰했다.

이는 고전 물리학으로 설명하기 어렵다. 왜냐하면 N/S을 통과한 뒤 N측의 원자 뒤에 W/E를 붙여 통과시키면, 자기 모멘트는 N방향으로 끌리는 값을 가지게 된다. 하지만 이 뒤에 N/S자기장을 붙여 통과시키면 S측에서도 관찰되기 때문이다.

위 실험들을 바탕으로 N/S통과 실험, N/S – W/E – N/S통과 실험은 고전 물리학으로 셜명하기 어려우며 양자 역학으로만 설명가능하다는 사실을 알 수 있다.

2. 편광판 실험

빛 역시 입자와 파동의 성질을 갖고 있는 양자 객체로서 빛의 진동 방향 중 두 방향만 통과시키는 편광판의 여러 각도에 따른 실험을 진행하면 N/S spin실험과 비슷한 양상을 볼 수 있다.

1. 직각이 되도록 편광판 두 개를 겹쳐 놓으면 어떠한 빛도 통과하지 못한다는 것을 관찰할 수 있다. (N/S - N/S 실험과 유사)

2. 세 장의 편광판 중 양 끝의 것을 직각이 되도록 두고 중간 편광판을 이외의 각도로 둘 경우 빛이 통과하는 것을 관찰할 수 있다. (N/S - W/E - N/S 실험과 유사)

3. 양자역학의 공리

이후 포스트에서 다룰 이론적인 계산과정에서 사용할 양자역학의 공리를 소개합니다.

1. 물리계의 상태는 복소수 벡터 공간(힐베르트 공간)의 벡터로 표현된다.
2. 양자 객체의 상태 변화는 유니터리 연산자(Unitary operators)로 표현된다.
3. 관측 가능한 물리량은 에르미트 연산자(Hermitian operators)로 표현된다.
   • 때문에 관측하면 상태가 붕괴한다. 즉, 측정이 계의 상태를 변화시킨다.
   • 관측결과는 실수로 나타난다.
4. 상태벡터는 관측결과를 확률적으로 결정한다. 즉, 같은 상태라도 같은 결과가 나오는 것이 아닌 특정 분포를 따라 관찰된다.

후기) 이번엔 양자역학의 근간이 되는 실험을 알아봤습니다. 고전 물리학으로는 이해할 수 없는 실험결과를 받아들임으로써 양자역학을 이해하는 첫 발걸음을 뗄 수 있을 것이라고 생각합니다… 한 과목을 수강했지만 양자역학은 이해하기 어렵더군요… 독자님들 응원합니다…🙌

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