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더 나은 앎으로 푸른 미래를 가꾸는 사람들의 공부모임

새 자연철학 세미나

양자지우개 (베이질 제임스 힐리)

자료
양자역학
작성자
자연사랑
작성일
2023-07-17 18:58
조회
1523

2009년에 나온 <양자물리학 대계(Compendium of Quantum Physics)>에 있는 양자지우개 항목을 찾아보았습니다.

Quantum Eraser (Basil James Hiley)

[Daniel Greenberger, Klaus Hentschel, Friedel Weinert, eds. (2009). Compendium of Quantum Physics: Concepts, Experiments, History and Philosophy. Springer.  pp. 546-549.]

마지막 문장이 다음과 같습니다.

"We conclude this discussion with a final word of warning about the meaning of the words ‘eraser’ and ‘delayed choice’ which have been misunderstood. The situation has not been helped by statements like ‘the past is undefined and undefinable without the observation [in the present]’ [7]. These words, ambiguous at best, have sometimes been mistakenly taken to mean that somehow the past dynamical behaviour of the atoms can be affected by what we decide to do at some later time. This is not the case. Bohr [6] himself makes this very clear. He stresses that when we come to interpret experimental results predicted by the quantum formalism “it is essential that the whole experimental arrangement be taken into account”. In the cases we have discussed above,we have two distinct experimental arrangements: (1) the arrival of atoms with two distinct separate cavities in place and (2) the arrival of atoms with one large cavity containing a radiation field detector. The fact that we can remove the common wall cavities and insert a field detector in the first experiment at a later time still means we have two distinct experiments. The word ‘eraser’ arises simply because we have changed the experimental conditions, the change, of course can be ‘delayed’ indefinitely provided the cavity modes remain stable. There is no question of the dynamics of the atoms being changed as a result of any delay in changing the experimental conditions." (p. 548)

[3] M. O. Scully, K. Drühl: Quantum eraser: a proposed photon correlation experiment concerning
observation and the “delayed choice” in quantum mechanics. Phys. Rev. A 25, 2208-2213 (1982).

[6] N. Bohr: Atomic Physics and Human Knowledge (Science Editions, New York, 1961, p. 50)

[7] J. A. Wheeler: The ‘Past’ and the ‘Delayed Choice’ Double-slit Experiment, in Mathematical Foundations of Quantum Theory, ed. A. R. Marlow (Academic Press, New York, 1978, pp. 9–48)

"그동안 오해되어 온 '지우개'와 '지연된 선택'이라는 단어의 의미에 대해 마지막으로 경고하는 말로 이 토론을 마무리하려 한다. 상황은 "[현재의] 관찰 없이는 과거가 정의되지 않고 정의할 수 없다"[7]와 같은 진술로 도움이 되지 않는다. 기껏해야 모호한 이 단어는 때때로 원자의 과거의 동역학적 거동이 나중에 우리가 선택한 것으로부터 영향을 받을 수 있다는 의미로 잘못 받아들여졌다. 그렇지 않다. 보어 자신이 이것을 매우 명확하게 하고 있다[6] . 그는 양자 형식체계로부터 예측된 실험 결과를 해석할 때 "전체 실험 배열을 고려하는 것이 필수적"이라고 강조한다. 위에서 논의한 경우에 두 가지 구별되는 실험 배열이 있다. 하나는 (1) 두 개의 별개의 공동이 제자리에 있는 원자가 도착하는 것이고, 다른 하나는 (2) 복사마당 검출기를 포함하는 하나의 큰 공동이 있는 원자의 도착하는 것이이다. 나중에 첫 번째 실험에서 일반적인 벽 공동을 제거하고 마당 검출기를 삽입할 수 있다는 사실은 여전히 두 가지 별개의 실험이 있음을 의미한다. '지우개'라는 단어는 우리가 실험 조건을 변경했기 때문에 발생한다. 물론 공동 모드가 안정적으로 유지된다면 변경은 무한정 '지연'될 수 있다. 실험 조건 변경에서 지연이 있기 때문에 생기는 결과로 원자의 동역학이 달라진다는 것에는 의문의 여지가 없다."

이 서술은 인용문헌 [3]에서 다루어진 실험을 언급하고 있습니다. 이 논문에는 아래와 같은 그림이 있습니다.

겹실틈을 두 개를 마련해서 그 두 겹실틈 사이에 마이크로파 공동을 넣습니다. 가운데는 분리하는 벽이 있습니다. 두 겹실틈의 방향을 교묘하게 잘 조정하면 겹실틈이 하나 있든 두 개 있든 마찬가지이고 스크린에는 간섭무늬 패턴이 나타납니다. 그 두 공동에서 에너지의 변화 같은 것을 측정하면 어느 곳을 지나갔는지 검출할 수 있습니다. 이렇게 해서 '어느 길 정보'를 얻을 수 있습니다. 즉 겹실틈에서 어느 쪽을 지나갔는지 알 수 있습니다. 그런데 그렇게 하고 나면 간섭무늬 패턴이 사라집니다.

이제 다시 이 어느길 정보를 지울 수 있을까요? 가운데 분리벽을 걷어내고 거기에 복사마당 검출기를넣습니다. 이 복사마당 검출기는 좌우의 복사마당이 같으면 들뜬 상태가 되고 좌우의 복사마당이 다르면 더 낮은 에너지 상태가 되게 만들어져 있습니다. 어느 경우든 어느 길 정보가 지워집니다. 그런데 그렇게 하면 간섭무늬 패턴이 다시 나타납니다.

이것이 스컬리와 드륄(Scully & Drühl 1982)의 실험제안인데, 힐리는 분리벽을 걷어내고 복사마당 검출기를 새로 설치하는 것이 이미 실험상황이 달라진 것임을 정확하게 지적하고 있습니다. 장회익 선생님의 용어로 말하면, 변별체가 다르기 때문에 애초에 원래의 것을 지우고 뭔가가 복원되는 것이 아니라, 그냥 새로운 상황일 뿐입니다. 아무런 정보도 지워지지 않고 심지어 현재의 선택이 과거의 상황에 인과적으로 영향을 주는 것도 아닙니다.

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이전에 눈사람님이 이 글에 대해 답글을 달아주셨던 것 같은데, 그 글에 저의 의견을 달려다 보니까 그 글이 사라진 것으로 보입니다. 중요한 내용이 담겨 있었는데 아쉽습니다.
2025.05.23
제 부족한 답변이 도움이 된다면 다행이겠습니다. 고맙습니다. '흔적'이란 표현을 확장하면 '변별체의 철학'으로 이어질 수도 있겠다는 생각이 듭니다. 연주되지 않은 음악이 존재하긴 할까, 하는 상상을 해 보는데, 어쩌면 연주되지 않았다고 해도 악보 속에, 작곡가의 머리 속에, 곡을 해석하는 지휘자의 마음 속에, 곡을 들으려는 청중의 열망 속에 이미 존재하는 걸 수도 있겠다는 생각도 듭니다.
2025.05.23
그 논문은 겹실틈 실험을 이용하여 확률분포의 시간의존성을 확인해 보려는 것입니다. 이것은 겹실틈을 지난 뒤 다음 스크린까지 도달하는 시간을 계산하면, 다른 해석에 대하여 다른 결과를 얻을 수 있기 때문입니다. 양자역학의 표준 형식체계 외에 드브로이-봄의 길잡피 파동 이론, 넬슨의 확률통계적 접근 등을 도입하여 비교하는 것이 목표입니다. 실험 구상만은 아니고 컴퓨터를 이용하여 시뮬레이션 실험을 한 것입니다.
2025.05.23
유익한 답변 감사드립니다. 마지막 사진 덕분에 미소 짓고 갑니다! ^^ 책이 와서 책도 보고 올려주신 영상 자료도 보았습니다. 이중 슬릿 실험에서 '전자를 쏘았다' 라고 했을 때 쏜 그 행위 자체도 전자 입장에서는 관측되어 진 상황일텐데요. 전자 스스로가 날아간게 아니라 어떤 물리적 장치에 의해 날아갔으니까요.. 스크린에 남겨진 흔적은 전자의 어떤 흔적인가요? 전자가 만약 입자라면 부딛혀서 뭐가 남은건지(물리적 흔적이겠죠?), 흔적(표식)의 정체도 궁금하고요 슬릿이라는 조건이 전자 상태를 규정하는 중요한 틀 이라면 전자를 슬릿 없이 보낼 경우.. 그 양상(?)은 다르게 나타났을까요? 전자 자체가 알갱이가 아니라 관계성 그 자체라고 상상해보니 지금까지 알고 있던 원자, 전자 이런 용어들이 더욱 낯설게 느껴집니다! (음악도 음악 자체가 있는게 아니라 어떻게 드러나느냐에 따라 음악이 되기도 하고 소리, 소음이 되기도 하고.. 또 연주되지 않은 음악은 음악이라고 할 수 없겠죠? 음악도 가능성의 상태로 존재하다가 연주자가 연주함으로써 음악으로 드러나는 구조라고 생각되네요~ 즉 연주자가 관측자 역할을 할 때 의미 있게 되는 것 같다고 느껴졌어요) 제가 눈의 갯수를 언급했던 이유는요~ 사람의 눈이 두 개이기 때문에 인지할 수 있는 차원이나 범위가 제한되어 있는 것이 아닐까 하는 궁금증에서 였어요. 언급하셨던 도마뱀과 같은 동물들은 인간과는 다른 시각체계를 갖고 있고 또 인간이 감지할 수 없는 것들을 인지하니 말이에요. 새로운 존재구조나 개념을 상정해보려면 이미 알고 있는 개념 너머에 있는 가능성도 생각해보았어요
2025.05.22
맞습니다. 아주 적절하고 중요한 지적입니다. 조금 더 상세한 설명이 필요하긴 하지만, 파동이라는 개념을 쓰기는 것보다는 마당(field 場)이라는 개념을 쓰는 것이 더 정확합니다. 대개 "입자 vs 파동"이라고 말하곤 하지만, 더 정확하고 의미 있는 대조는 "입자 vs 마당"입니다. 실상 '마당'이라는 것도 고전적 마당과 양자 마당이 구별됩니다. 파동이라 부르는 것은 위치와 시간의 함수로서 결국 일종의 마당입니다. 다만 마당이 언제나 파동인 것은 아닙니다. 그렇긴 해도 대부분의 마당은 어떤 식으로든 파동과 연결됩니다. 이와 달리 입자는 마당이 아닙니다.
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