양자 얽힘

[시냇물]

https://www.donga.com/news/amp/all/20230626/119949180/1

아인슈타인 세계관 깬 노벨상 수상자…韓서 꺼낸 ‘양자얽힘’ 뭐길래

2022 노벨물리학상 수상자 존 클라우저…'양자 얽힘의 실재' 강연
클라우저, 아인슈타인 'EPR 이론' 반박한 '벨 부등식' 실험으로 입증


“빛보다 빠른 정보 전달은 불가능하다.”

인류 역사상 최고의 천재 중 한 명으로 칭송받는 아인슈타인은 죽는 날까지 이같은 이유를 들며 ‘양자 얽힘’ 현상을 받아들이지 못했다. 하지만 아인슈타인이 사망한 지 70여년이 지난 현재, 적어도 양자역학과 관련해서는 아인슈타인이 틀린 것으로 보인다. 양자 얽힘 현상이 이론적, 실험적으로 모두 입증되며 양자 컴퓨터와 양자 통신의 실현 가능성까지 제기됐기 때문이다.

양자 얽힘 현상이 실재함을 입증하며 노벨물리학상을 손에 거머쥔 존 F 클라우저 박사는 26일 서울 DDP에서 열린 ‘퀀텀 코리아 2023’에서 노벨상을 선사한 자신의 연구 결과에 대한 기조 연설을 진행했다. 연설 주제는 ‘비국소적 양자 얽힘은 실재한다 - 실험적 증거’다.


◆보어 “수십억 광년 떨어진 양자도 ‘얽힘’ 상태에 있어” vs 아인슈타인 “빛보다 빠른 정보전달은 불가”

클라우저에 따르면 양자 얽힘에 대한 학계의 관심과 논쟁은 20세기 초 아인슈타인과 닐스 보어의 해석 차이를 두고 불이 붙었다.

양자역학은 ‘중첩’과 ‘얽힘’을 빼놓고 이야기할 수 없다. 에컨대 두 양자입자가 각각 A와 B라는 특징(A와 B를 모두 지니는 건 불가)을 갖고 있을 경우 두 입자의 특징은 관측을 통해 상태를 확인돼야만 결정된다. 관측되기 전까지는 두 입자에 A와 B라는 특징이 ‘중첩’된 상태라는 것이다.

이후 한 입자가 A라는 특징을 지닌다는 것이 관측을 통해 확인되면 나머지 입자는 자동으로 B 특징을 갖게 된다. 이렇게 한 입자의 특징이 결정됐을 때 나머지 하나의 특징이 자연스럽게 결정되는 것은 이 두 특징이 ‘얽힘’ 상태에 있기 때문이다.

이에 대해 보어는 양자입자는 두 특징 중 하나의 상태만 존재해야 하기 때문에 양자입자가 관측될 때 비로소 중첩된 상태가 무너지며 상태가 결정된다는 양자역학의 개념을 만들어냈다. 특히 양자 입자들이 얽힘 상태에 있다면 두 입자가 수십억 광년이 떨어져있다 하더라도 중첩 붕괴는 동일하게 나타나게 된다는 해석이다.

하지만 아인슈타인이 이에 대해 문제를 제기했다. 한 입자에서 A라는 특징이 결정되면 나머지 입자에 정보가 전달돼야 B라는 특징이 정해질 수 있는데, 보어의 해석에 따르면 정보 전달이 빛보다 빠르게 일어난다는 지적이다. 상대성 이론에 따르면 어떤 정보 전달도 빛보다 빠를 수 없기에 보어가 주장한 즉각적인 중첩 붕괴는 이뤄질 수 없다는 것이다. ‘슈뢰딩거의 고양이’ 실험을 통해 양자역학의 불완전을 증명하고자 한 에르빈 슈뢰딩거 또한 이같은 얽힘 현상을 보고 혼란스러워 한 것으로 알려졌다.

이같은 주장은 이른바 ‘EPR 역설(아인슈타인-포돌스키-로젠 역설)’을 만들어냈는데, 이 역설을 해소하기 위해 나온 것이 ‘국소적 숨은 변수 이론(EPR 이론)’이다. 멀리 떨어진 두 입자를 각각 측정하는 것은 2개의 독립 사건이기에 국소성이 있다고 가정하고, 한 입자가 나머지 입자의 상태에 영향을 주는 것은 관측자가 알 수 없는 ‘숨은 변수’가 있다는 이론이다.

◆아인슈타인의 역설에 사망 선고 내린 벨과 클라우저…‘양자 얽힘’ 실재 실험으로 입증

지난해 노벨물리학상은 이같은 EPR 이론에 완전한 사망 선고를 낸 이들에게 돌아갔다. 기존에도 학계에서는 EPR 이론이 잘못됐고 보어의 해석이 맞다는 주장이 지배적이었으나 이를 실험적으로 입증하지 못했었다. 하지만 클라우저와 알랑 아스페, 안톤 자일링거 등 3명의 학자가 이를 실제로 입증해 낸 것이다.

EPR 이론의 허점을 처음으로 지적한 것은 영국의 물리학자 존 스튜어트 벨이다. 벨은 1964년 양자역학계에서 가장 중요한 수식 중 하나인 ‘벨 부등식’을 선보였다. EPR 이론이 맞다면 모든 통계적 예측이 벨 부등식에 부합해야 하고, 만약 단 하나라도 성립하지 못해 벨 부등식의 한계가 입증된다면 양자 얽힘이 존재한다는 보어의 해석이 맞다는 것이었다.

벨 부등식은 이론적으로는 가능하다는 평가를 받았으나 이를 실제로 인정받기 위해 필수적인 실험실에서의 구현을 이루지 못했다. 이같은 단점을 보완해 실험실에서 벨 부등식의 한계를 증명해내는 데 성공했다.


클라우저는 칼슘 원자의 광자 얽힘 상태가 존재함을 자체 설계한 광원(빛)을 통해 실험으로 증명해 냈다. 클라우저는 3명의 동료 물리학자들과 함께 벨 부등식을 다시 쓴 ‘CHSH 부등식’을 선보이며 현대 양자역학에 기념비를 세웠다.

이처럼 양자 얽힘의 실재가 입증되면서 우리가 살고 있는 세계에는 한 공간에서 일어나는 모든 현상은 이와 분리된 다른 공간에서 발생해 영향을 미칠 수 있다는 ‘비국소성’이 적용되고 있다는 양자역학의 이론이 힘을 얻게 됐다.

클라우저의 실험 이후에는 아스페가 클라우저의 실험에서 부족했던 점을 보완해 칼슘 원자가 ‘들뜬 상태’에서 ‘바닥 상태’로 떨어질 때도 얽힌 광자를 방출한다는 것을 발견했고, 자일링거가 양자 얽힘 현상을 실제 활용한 실험을 진행해 양자 상태를 한 입자에서 다른 입자로 멀리 이동시키는 ‘양자 순간이동’이라는 현상을 시연해내며 함께 노벨상 수상의 영예를 안게 됐다.

학계에서는 이들이 양자 얽힘 현상이 실재함을 실험을 통해 입증해내면서 양자역학의 완전성이 증명됐고, 그 덕에 양자컴퓨터, 양자통신 등 현대기술의 단초를 쌓을 수 있다고 보고 있다.

클라우저는 이날 행사 강연에서 양자 얽힘 현상의 증명을 두고 “80년 넘게 누구도 우리 방안에 있는 코끼리(누구나 알면서도 누구도 말하지 않는 문제)에 대해 아무런 얘기를 하지 않았던 것”이라며 “지금까지의 노력을 통해 양자역학에서 양자 얽힘을 설명할 수 없는 국소성 실체성은 죽었다는게 밝혀졌다”고 강조했다.

https://wikidocs.net/249808
* 부정확성한 자료일 수 있음

양자 얽힘(Quantum Entanglement) 이란?

양자 얽힘(Quantum Entanglement)은 양자 역학에서 두 개 이상의 입자가 상호 연관되어, 입자 사이의 거리에 관계없이 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태와 즉시 연결되는 현상입니다. 이 현상은 알버트 아인슈타인이 "원거리에서의 으스스한 작용"이라고 표현한 것으로 유명합니다.

1. 양자 얽힘의 기본 개념
양자 얽힘 상태에서는 얽힌 입자들이 서로 독립적으로 존재하지 않으며, 하나의 입자를 측정하면 그 상태가 확정됨과 동시에 다른 입자의 상태도 확정됩니다. 예를 들어, 두 입자가 얽혀서 총 스핀이 0으로 알려져 있지만 개별 스핀은 알 수 없는 경우를 가정해봅시다. 한 입자를 측정하여 스핀이 위로 향하는 것으로 확인되면, 다른 입자는 즉시 스핀이 아래로 향하게 됩니다.

2. 비국소성 (Non-locality)
양자 얽힘은 비국소성을 특징으로 합니다. 이는 얽힌 입자들이 멀리 떨어져 있어도 하나의 입자 상태가 변화하면 다른 입자 상태도 즉시 변화함을 의미합니다. 중요한 점은 이 과정에서 빛보다 빠르게 이동하는 정보는 포함되지 않는다는 것입니다. 결과는 두 입자가
처음부터 얽혀 있던 상태에 의해 결정됩니다

3. 양자 얽힘의 실험적 검증

양자 얽힘은 다양한 실험을 통해 검증되었습니다. 가장 유명하고 중요한 실험 중 하나는 벨의 정리 실험입니다. 이 실험은 1964년 물리학자 존 벨이 제안한 일련의 부등식을 테스트하기 위해 고안되었습니다

벨의 부등식: 벨의 부등식은 빛보다 빠르게 이동할
수 있는 정보는 없다는 양자역학의 해석인 국소 실
재론의 원리를 바탕으로 도출되었습니다. 국소 실
재론이 맞다면 얽힌 입자에 대한 측정의 특정 통계
적 특성은 벨의 부등식으로 설명되는 방식으로 경
계가 정해질 것입니다
벨 테스트 실험: 벨 테스트 실험에서는 얽힌 입자(주로 광자)를 생성하여 두 개의 다른 위치로 보내 다양한 측정을 수행합니다. 그런 다음 이러한 측정 데이터를 사용하여 벨의 부등식 매개변수라는 양을 계산합니다. 국부적 실재론이 유지된다면 이 매개변수는 특정 값을 초과하지 않아야 합니다.

4. 주요 실험 사례

• 초기 실험: 벨의 부등식에 대한 최초의 실험적 테스트는 1970년대 초에 물리학자 존 클라우저가 이끄는 연구팀에 의해 수행되었습니다
• 알랭 아스펙트의 실험: 가장 유명하고 엄격한 실험은 1980년대에 물리학자 알랭 아스펙트와 그의 팀에 의해 수행되었습니다. 이 실험은 벨의 부등식 매개변수가 실제로 국소 실재론에서 예측한 한계를 초과한다는 것을 보여주었습니다
• 최근 실험: 2015년 네덜란드 델프트 공과대학교 연구팀은 벨 테스트 실험에서 감지 및 통신 허점을 동시에 해결한 결과를 보고하여 양자 얽힘의 타당성을 더욱 강화했습니다.

5. 양자 얽힘의 응용
양자 컴퓨팅: 얽힘은 기존 컴퓨터에서는 불가능했 던 복잡한 계산과 알고리즘을 수행하는 데 활용할 수 있는 자원입니다
양자 암호화: 얽힘은 정보를 안전하게 전송할 수 있는 '양자 키'를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 해킹이 불가능한 보안 통신을 가능하게 합니 다
물리학 : 또한, 양자 얽힘을 이해함으로써 물리학자들은 우주의 구조와 기본적인 힘에 대한 통찰을 얻게 되었습니다. 이러한 통찰은 블랙홀, 다차원 우주 등 새로운 이론적 모델 개발에도 기여하고 있습니다. 양자 얽힘에 관한 연구는 단순히 물리학의 한 분야를 넘어 우주의 본질과 우리가 사는 세상에 대한 깊은 질문을 제기하고 있습니다.
앞으로 양자 컴퓨터의 상용화를 통해 인공지능, 빅데이터 분석 등 분야에 서 큰 발전이 있을 것으로 기대됩니다.
의학에의 적용
⁃ 남녀간이나 혈육 사이의 사랑, 쌍둥이들의 교감을 얘기할 때 사람들은 눈에 보이지 않는 신비한 어떤 연결 같은 것을 곧잘 화제에 올리고 합니다.
⁃감정적으로나 유전적으로 가까운 사람들일수록 멀리 떨어져 있어도 감정이나 이미지의 텔레파시 현상이 잘 일어나며, 그순간 두 사람의 뇌파는 동조 현상을 보입니다(비국소성, 통일성, 양자읽힘)
⁃ 사람들은 모두 양자얽힘으로 연결되어 있는 소립자 들처럼 내면의식의 차원에서 연결되어 서로 정보와 에너지를 주고받을 수 있습니다.
-원격(초개아적) 최면 치료로 연결
양자 얽힘의 철학적 의미
양자 얽힘은 단순한 물리적 현상 이상의 의미를 지닙니다. 이 현상은 우리에게 정보와 상호작용의 본질에 대한 깊은 질문을 던집니다. 예를 들어, 양자 얽힘은 개인의 자유의지, 인과관계에 대한 기존의 가정을 다시 생각해 보게 만듭니다. 이는 물리학이 단순한 수학적 공식과 실험을 넘어 우리의 존재와 세계관에 대한 철학적 논의로까지 연결될 수 있다는 점을 보여줍니다. 양자역 학의 해석과 관련된 여러 철학적 논의는 과학자뿐만 아니라 철학자들까지도 매료시키고 있으며, 이러한 논의는 물리학의 진정한 의미를 가늠하는 데 중요한 역할을 하고 있습니다
양자 얽힘에 대한 개인적인 인사이트
양자 얽힘에 관한 연구는 언제나 저에게 큰영감을 주었습니다. 물리학의 복잡함을 이해하면서, 그 속에서 발견되는 비국소적인 연결성은 우리 존재의 깊은 의미를 다시금 생각하게 합니다. 양자 얽힘은 단순히 과학적 현상일 뿐만 아니라, 인간 삶의 상호 연결성을 상기 시켜주는 상징적 의미를 지니고 있습니다. 이러한 관점에서 볼 때, 양자 얽힘을 탐구하는 것은 우리의 존재와 우주에 대한 깊은 이해를 추구하는 여정이라고 할 수 있습니다. 과학이 주는 지식은 결국 우리 삶에 진정한 영향을 미치는 것이며, 이는 나에게 매우 중요한 가치 입니다.

결론:양자 얽힘의 미래
양자 얽힘은 과학과 기술, 철학의 경계를 허물며 우리의 사고를 확장시키는 중요한 요소입니다. 앞으로의 연구와 발전이 이루어짐에 따라, 양자 얽힘은 새로운 기술적 혁신을 이끌고, 우주와 우리 존재의 본질에 대한 더 깊은 이해를 제공할 것입니다. 이는 단순히 이론적 발견에 그치지 않고, 인류의 삶의 질을 높이고 미래를 이끌어 갈 수 있는 가능성을 품고 있습니다. 양자 얽힘은 우리를 유기적으로 연결짓는 방법을 재조명하고, 새로운 사유의 틀을 마련하는 계기가 될 것입니다. 동시대의 과학에서 양자 얽힘은 미래 전개에 있어 중요한 역할을 할 것이며, 이에 대한 지속적인 관심과 연구는 필수적입니다.