양자얽힘(개념, 실험적 증명, 응용)

이번글에서는 양자얽힘에 대하여 알아보려고 합니다. 양자얽힘이 무엇인지, 어떻게 증명될 수 있었는지, 현대에 들어서 어떤식으로 응용이 되고 있는지에 대해 설명하겠습니다.

양자얽힘의 개념

양자얽힘(Quantum entanglement)은 양자역학에서도 매우 흥미로운 현상으로, 두개 이상의 양자 입자가 서로 연결되어 있는 상태를 의미합니다. 이러한 입자들은 서로에 대해 즉각적인 영향을 미치는데, 이는 고전 물리학으로는 설명하기 힘든 개념입니다. 얽힘 상태에 있는 입자 중 하나의 양자 상태가 변화하면 다른 양자 상태도 즉시 그에 반응하는 현상을 보이는데, 이 현상은 정보 전달 없이 일어나는 현상으로 인과관계에 기반한 물리학과는 다른 현상으로 보기 때문입니다.  두개의 입자가 서로 물리적으로 붙어있지 않아도 상호의존한다는 점이 놀라운 사실이며 아인슈타인은 이를 가리켜 "유령같은 원거리 작용"이라고 표현하였다고 합니다. 양자얽힘은 1935년 아인슈타인, 로젠 등의 과학자들이 발표한 EPR 패러독스에서 언급되었으며 이들은 양자역학의 비국소성을 비판했습니다. 하지만 실험을 통해 양자얽힘 현상이 실존한다는 것이 입증되었습니다. 양자얽힘의 기본적인 예시는 두개의 스핀 1/2입자입니다. 양자역학에 따르면 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없습니다. 이 상황에서 한 입자의 스핀을 측정하면  한 입자가 존재하는 계의 상태가 결정되고 그와 동시에 다른 입자가 존재하는 계의 상태 또한 결정되게 됩니다. 이는 마치 정보가 순식간에 한계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보이는데 이것이 특수상대성이론의 "정보전달은 빛의 속도를 넘을 수 없다"라는 전제를 위반하는 것처럼 보일 수 있어 물리학자들은 이 현상을 '정보전달'이 아닌 '두 입자 사이의 원초적인 연결고리'로 보아 특수상대성이론의 위배 문제를 방지하였습니다.

양자얽힘의 실험적 증명

양자얽힘은 양자역학의 코펜하겐 해석으로부터 유도되었습니다. 직관적이지 않은 해석 때문에 아인슈타인을 비롯한 과학자들에게 받아들여지지 않았습니다. 그 이후 양자얽힘의 존재는 여러 실험을 통해 증명되었는데 이 중 가장 유명한 실험 중 하나는 벨의 정리와 관련된 실험입니다. 벨의 정리는 양자역학의 비국소성을 수학적으로 입증하며 고전 물리학으로는 설명할 수 없는 결과를 보여줍니다. 양자 얽힘에 따라 수행된 실험들은 두 입자 간의 상관관계가 고전적인 물리학과 다르다는 것을 알려주었습니다. 이 것이 바로 벨부등식입니다. 많은 실험들이 벨부등식을 위반하는 결과를 보여주었으며, 이는 양자얽힘이 실존한다는 것을 증명합니다. 또 하나의 중요한 실험은 앨런의 아스펙트 실험입니다. 얽힌 광자 쌍을 생성하고 이들의 편광 상태를 측정하는 실험으로, 얽힌 광자를 서로 멀리 떨어뜨려 놓고 동시에 측정함으로써 두 입자의 상태가 서로 즉시 영향을 미친다는 것을 증명했습니다. 최근에는 양자얽힘의 거리 확장 실험을 했는데, 얼마나 긴 거리에서 현상을 유지할 수 있는지를 알아보기 위한 실험이었습니다. 위성 통신을 통해 얽힘 현상을 알아보고자 한 실험이었으며, 이는 양자 통신의 보다 넓은 범위에서의 기술 개발에 기여하였습니다. 또 다른 최신 연구에서는 전통적인 양자얽힘 연구와 다르게 세 개 이상의 입자 간의 얽힘 현상을 관찰하는 실험이 진행되었습니다. 다입자 얽힘은 양자 컴퓨팅에서 더욱 복잡한 연산을 가능하게 하며 새로운 양자 알고리즘 개발에도 기여합니다.

양자얽힘의 응용

양자얽힘은 양자컴퓨팅, 양자 통신, 양자 암호화, 양자 텔레포테이션 등 여러가지 기술에 응용될 수 있습니다. 얽힘 상태는 컴퓨터의 병렬처리능력을 높여주어 복잡한 계산을 효율적으로 수행할 수 있도록 합니다. 양자 컴퓨팅은 복잡한 계산을 신속하게 하는 것 이 외에도 다양한 문제에 최적화 방안을 찾는데에 효과적입니다. 교통 네트워크 속 가능한 여러 경로 중 최적의 경로를 찾아내는 교통 경로 최적화, 금융 분야에서 수익을 극대화하고 위험을 최소화 해주는 투자 포트폴리오 최적화등이 대표적인 예시입니다. 인공지능 분야에서도 양자 컴퓨팅은 효과적입니다. 기계학습의 알고리즘을 개선하여 복잡한 데이터 패턴을 정확히 모델링하고, 대규모 데이터 셋에서 의미있는 데이터를 추출하여 분석하는데도 사용됩니다. 양자 통신에서는 양자얽힘을 이용한 양자 키 분배(QKD) 기술이 사용되는데, 이 기술은 통신의 보안을 위해 암호 키를 생성하고 공유하는 방식을 사용합니다. 도청 여부를 실시간으로 감지 할 수 있어 기존의 암호화 방식 보다 훨씬 안전합니다. 양자 텔레포테이션은 얽힘을 이용해 양자 상태를 먼거리로 전달하는 기술로 신속한 정보 전송이 가능하게 합니다. 이처럼 양자얽힘은 다양한 분야에서의 응용 가능성이 매우 크며, 양자얽힘에 대한 이해가 깊어질수록 더 많은 분야에서의 적용과 혁신이 가능할 것입니다.

 

이번 글에서는 양자얽힘 현상에 대해 알아보았습니다. 양자얽힘 현상에 대한 연구가 다양한 분야에 적용되어 우리 삶을 더욱 편리하게 해주길 기대해보면 좋을 것 같습니다.