양자 역학 / 양자 얽힘 이란

앞선 포스팅에서 양자 역학에서 '양자'란 무엇인지, 그리고 양자의 이중성을 밝혀주는 이중 슬릿 실험 등을 알아봤습니다. 양자 역학에 대한 글을 읽다 보면 '양자 얽힘'이라는 말을 듣게 되는데요. 오늘은 이 양자 얽힘 현상에 대해서 파헤쳐 보겠습니다. 

 

 

양자 얽힘(quantum entanglement) 이란 

앞서 양자는 입자의 성질을 가지는 동시에 파동의 성질도 가진다고 했습니다. 두 가지 가능성이 중첩 되어 있는 상태였다가, 관찰자가 개입하여 '관측'하는 순간 둘 중 하나로 선택되어서 발현되는 것입니다. 

 

자 여기까지는 이해가 되셨죠? 

 

하나의 양자가 동시에 두가지 성질을 가지는 것. 양자의 이중성입니다. 

 

 

그런데, 또 하나 미스터리한 사실이 발견되었습니다. 바로 양자 얽힘(quantum entanglement)입니다. 

 

양자 얾힘 이란, 두 개 이상의 양자가 연결 거리에 관계없이 서로 종속되어 나타나는 현상을 말합니다. 해석이 좀 어렵나요? 그럼 좀 더 쉽게 설명해 보겠습니다. 

 

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하나의 입자를 A와 B 둘로 쪼갰습니다. 그리고 그 두 입자는 아주 멀리 수십광년 거리에 떨어져 있습니다. 아직까지는 아무도 이들의 상태를 '관측' 하지 않았기 때문에, 정해진 것 없이 여러 가지 가능성이 중첩되어 있습니다. 그런데 누군가 A를 관측을 했습니다. 그리고 동시에 A의 현 상태도 정해져서 발현되었습니다. 

 

아니 그런데! 저 멀리 수십 광년 떨어진 B 에서도 변화가 일어났습니다. A의 상태가 '관측'되어 정해지는 동시에 저 멀리 B도 상태가 정해졌습니다. 아무도 B를 관측하지 않았는데 말입니다. 

 

도대체 어떻게 된 일일까요. 

무슨 일이 있길래, 아주 멀리 떨어진 두 개의 입자 중에서 하나만 관측되었는데 마치 연결된 것처럼 다른 입자에도 동시에 변화가 생기는 걸까요. 

 

 

 

양자 얽힘의 특성

양자 얽힘은 두 입자 사이의 서로 연결된 관계 입니다. 여기서 중요한 것은 '관측'입니다. 관측되지 않을 때 입자 A와 입자 B는 서로 관계가 없습니다. 아직 확률적으로 여러 가지 가능성이 중첩되어 있는 상태일 뿐이고 실질적으로 존재하지 않기 때문입니다. 

 

하지만, '관측'을 하는 즉시 바로 존재하게 됩니다. 예를 들어 A가 죽은 상태가 되면 B는 산 상태가 되고 이렇게 반대로 발현되게 됩니다. 

 

 

양자 얽힘에 대한 논란들

양자 얽힘 현상에 대해 아인슈타인은, 양자 얽힘이 가능하려면 빛보다 빠른 무언가가 필요한데 광속(빛의 속도)을 넘어서는 정보 전달은 특수 상대성 이론에 어긋난다고 주장하며, 양자 얽힘 이론을 반박 했습니다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠 세 사람은 양자 얽힘 가설에 반대하며 EPR 역설을 주장했습니다. 

 

양자 얽힘에 대한 의문을 밝히기 위해 영국의 존 스튜어트 벨 교수는 한 가지 실험을 제안 했습니다. 이 것을 벨 부등식이라고 부르는데요. 우리는 이 부등식의 자세한 내용 까지는 몰라도 됩니다. 

 

하지만, 중요한 것은 이후, 존 F 클라우저 교수, 알랭 아스페 교수, 안톤 차일링거 교수 3명의 연구자들에 의해서 결국 양자역학이 맞음이 증명되었습니다. 그리고 이 3명은 2022년 노벨물리학상을 수상하게 되었습니다. 

 

 

 

특히, 차일링거 교수는 양자 상태의 입자가 멀리 떨어진 입자로 이동할 수 있는 양자 순간 이동(teleportation)현상을 시연해 내었습니다. 또한, 양자 얽힘 현상을 이용하여 양자 암호 실험도 구현해 냈습니다. 

 

 

 

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결론

이렇게 양자 역학에 대한 연구가 계속되어 간다면, 결국 미래에는 영화에서만 보던 순간 이동 이라던지, 엄청난 양의 정보를 몇십광년 밖에 있는 특정 물체에 보낸다던지 하는 일이 가능해질 것입니다. 

 

오늘은 양자 얽힘 현상과 그에 대한 논란들 그리고, 미래에 어떻게 활용 될 수 있을지 생각해 보았습니다. 

 

하지만 모든 것의 가운데에는 결국 '관찰자' 여러분들의 역할이 가장 중요하다는 것을 잊지 마십시오.