양자역학-양자 얽힘

양자 얽힘(Entanglement)이란 무엇인가?

양자 얽힘은 두 입자가 먼 거리에 있어도 계속 연결되어 한 입자에 행해지는 작용이 다른 입자에게도 즉각적으로 영향을 미치게 하는 물리적 현상이다. 

이 설명 자체가 잘 이해되지 않겠지만, 양자 세계에서는 이런 현상이 있다고 한다. 마음에 들지 않는 것들린다면, 바로 그렇기  때문이다. 보리스 포돌스키, 네이선 로젠과 공동 논문에서 양자 얽힘에 대한 생각을 처음 논의한 알버트 아인슈타인은 이 현상을  상대성 이론을 무시한 빛 더 빠른 통신을 할 수 있다는 의미를 내포하고 있기 때문에 “먼 거리에서 일어나는 유령 같아 보이는 작용(spooky action at a distance)” 이라고 했다.  

얽힌 쌍의 양자 입자들은 분리할 수 없는 전체를 이루며 하나는 다른 하나가 없으면 완전히 기술할 수 없다. 그러나 이 입자가 환경과 상호작용할 때 (예: 측정이 이루어질 때) 얽힘은 깨진다. 양자 얽힘의 역설은 하나의 측정 결과가 다른 입자로 전달되기 전에 얽힌 입자 중 어느 한쪽의 측정이 전체 시스템을 붕괴시킨다는 사실에 있다.

사고 실험으로 서로 다른 두 개의 입자를 반대 방향으로 보내지고, 수천 킬로미터나 떨어진 서울과 워싱턴에 하나씩 분리하여 보내는 것을 생각해 보자. 양자 얽힘에서는 이 두 입자는 먼 거리에 있음에도 불구하고 계속 연결되어 있어, 만약 서울에 있는 한 입자를 시계 방향으로 돌린다면, 워싱턴에 있는 두 번째 입자는 즉각적으로 시계 반대 방향으로 돌게 될 것이다. 

양자 얽힘은 동물이나 건물과 같은 너무 큰 물체는 적용되지 않으며, 원자와 전자와 같은 양자 규모의 작은 입자에만 나타난다. 과학자들은 처음에는 이런 현상이 단지 극소 입자에만 나타난다고 보았지만, 최근 실험은 직경 15 마이크로미터 크기의 진동 알루미늄 판과 같이 육안으로 볼 수 있는 정도의 물체에서도 일어나고 있다는 것을 발견했다.  

과학자들은 아직 양자 얽힘을 보이는 입자와 아인슈타인의 상대성이론과 정확히 어떤 연관성을 가지고 있는지는 밝히지 못하고 있다.

중국, 양자통신 실험 성공

상하이 중국과학기술대학의 물리학자들은 2016년 발사한 중국의 양자과학실험위성 묵자를 이용해 단일 광자 쌍을 만들고, 두 단일 광자 사이에 양자역학적 얽힘을 구현하여 1,120km 떨어진 지상의 두 기지국에 높은 효율로 송수신하는 데 성공했다고 한다. 

양자얽힘이 갖는 함의

이 실험과 같은 실험이 갖는 의미는 매우 크다. 과학자들은 양자 얽힘이 컴퓨팅과 암호화에 응용될 수 있고, 초정밀 시계를 만드는 데 도움이 될 수 있다고 본다. 동시에 인과관계, 국소성, 사실성에 대한 우리의 이해에 도전함으로써 양자 얽힘은 기존 물리학의 법칙을 깨뜨리며 과학적이고 철학적인 논쟁을 동시에 제기한다.