주요 목차 참고 자료인 "양자컴퓨팅 개론" 내용 중에서 선형대수, CS 관련 내용은 그래도 조금이나마 이해는 할 수 있는데 물리는 아예 베이스가 없다시피 하니 Spin의 개념을 찾고 정리하는 것만 해도 오래 걸렸다..
1. What is spin?
The of an electron refers to its intrinsic angular momentum.
For a classical particle, this would correspond to an extended object like a ballspinning around on a given axis. As we shall see, the true quantum mechan-ical description of spin is far removed from this.
To begin with, in quantum mechanics, angular momentum is - that is, it only takes certain discrete values. In the case of electron spin, there are only two possible val-ues, which we call ‘spin up’ and ‘spin down’.
For a classical particle, this would correspond to either spinning anti-clockwise or clockwise around an axis with the same magnitude of angular frequency in either case.
Angular frequency is a vector quantity, the direction being perpendicular to the plane of rotation and the sign (positive or negative) giving the sense of rotation(anti-clockwise or clockwise).
Hence, ‘spin-up’ and ‘spin-down’.
The binary nature of electron spin makes it an excellent candidate for a quantum mechanical bit or qbit for quantum computing and information applications.
More generally, spin provides an extra dimension for the control and manipulation of electrons in classical information processing devices. Understanding the physics of spin is therefore crucial for the design and development of so-called spintronic devices and systems.
2. Stern-Gerlach Experiment (1922)
슈테른-게를라흐 실험(Stern–Gerlach experiment)은 원자의 자기 모멘트와 스핀이 양자화되어 있다는 사실을 증명한 실험이다. 오토 슈테른과 발터 게를라흐(Walther Gerlach)가 1922년에 실시하였다. 양자역학의 가장 근본적인 실험 가운데 하나다.
실험의 구조와 결과
슈테른-게를라흐 실험에서는 진공에서 전기적으로 중성인 은을 기화한 후, 이를 정렬된 슬릿을 통과하게 하여 은 원자 빔(beam)을 만든다.
이 은 원자로 이루어진 빔은 불균일한 자기장을 통과한 뒤, 차가운 유리판 위를 향하게 한다. 은 원자는 자기 모멘트를 지니므로 자기장에 영향을 받는다. 불균일한 자기장을 사용하는 이유는 균일한 자기장에서는 은 원자는 세차 운동만 겪으며 그 진로가 변하지 않지만, 불균일한 자기장의 경우에는 은 원자의 진로가 휘기 때문이다.
이 때에 휘는 정도와 방향은 불균일한 자기장과 그 안에 있는 원자의 쌍극자 방향과의 관계에 따라서 자기 모멘트와 자기장의 기울기 사이의 힘에 따라 변한다.
고전적으로 자기 모멘트는 연속적인 값이므로, 유리판 위의 자취는 연속적인 모양을 해야 한다. 그러나 실제 실험을 해 보면, 자취는 두 개의 서로 떨어진 점이다. 즉, 자취가 불연속적이고, 은의 자기 모멘트는 두 개의 양자화된 값 가운데 하나를 가진다는 사실을 알 수 있다.
은의 자기 모멘트는 그 각운동량에 비례한다. 따라서 은의 바닥 상태에서 가능한 각운동량 값이 두 가지다. 양자역학적으로, 이는 은 원자 안의 전자의 스핀의 임의의 성분이 두 가지의 값을 가질 수 있기 때문이다.
3. Measurement and Randomness
Classical physics
If we have 100% accurate information, we will know where the atom will go!
Quantum Mechanics
It is at the random state, it is only determined when measured!
The difference between them is the way the measurement affects the mathematical calculation.
Source & Reference
잘 봤습니다. 좋은 글 감사합니다.