양자 얽힘 - Quantum entanglement [1]

양자 얽힘 - Quantum entanglement

양자 얽힘이란 한 쌍이나 한 무리의 입자가 생성되거나 상호 작용하거나 공간 근접성을 공유할 때 입자가 큰 거리로 분리되는 경우를 포함하여, 쌍이나 무리의 각 입자의 양자 상태를 다른 입자의 상태와 독립적으로 설명할 수 없는 방식으로 발생하는 물리적 현상을 말한다. 양자 얽힘의 주제는 고전과 양자 물리학의 격차의 핵심이다. 얽힘은 고전 역학이 결여된 양자 역학의 주요 특징이다. 뒤엉킨 입자에 대해 수행되는 위치, 운동량, 스핀, 양극화 등의 물리적 성질의 측정은 완벽하게 상관관계가 있는 것으로 확인된다. 예를 들어, 한 쌍의 얽힌 입자가 생성되어 총 스핀이 0이라고 알려지고, 한 입자가 첫 번째 축에서 시계방향으로 회전하는 것으로 밝혀지면, 같은 축에서 측정한 다른 입자의 스핀은 시계 반대방향으로 나타난다. 그러나, 이러한 행동은 겉으로 보기에 역설적인 효과를 낳는다. 입자의 성질을 측정하면 그 입자의 되돌릴 수 없는 파동함수가 붕괴되고 원래의 양자 상태가 바뀔 것이다. 끼인 입자의 경우, 그러한 측정은 얽힌 시스템 전체에 영향을 미칠 것이다.

그러한 현상은 알버트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠이 쓴 1935년 논문의 주제였고, 그 직후 에르윈 슈뢰딩거의 논문 몇 편이 EPR 역설로 알려지게 된 것을 기술했다. 아인슈타인 등은 그러한 행동이 인과관계에 대한 국지적 사실주의 견해(아인슈타인은 그것을 "멀리서 무시무시한 행동"이라고 지칭)를 위반했기 때문에 그러한 행동은 불가능하다고 간주하고, 따라서 양자역학의 수용된 공식화가 불완전해야 한다고 주장했다. 그러나 이후 양자역학의 반직관적 예측은 벨의 불평등을 통계적으로 위반하면서 분리된 위치에서 뒤엉킨 입자의 양극화나 스핀을 측정하는 실험에서 실험적으로 검증되었다. 이전의 시험에서 한 지점의 시험 결과가 원격 지점으로 미묘하게 전송되어 두 번째 위치의 결과에 영향을 미칠 수 있다는 것을 완전히 배제할 수 없었다. 그러나 소위 "루폴 프리" 벨 테스트가 수행되어 빛의 속도에서의 통신이 측정 사이의 간격보다 더 오래 걸릴 수 있었다.

양자역학에 대한 일부 해석에 따르면, 하나의 측정의 효과는 즉시 일어난다. 파동기능 붕괴를 인정하지 않는 다른 해석들은 "효과"가 전혀 없다고 논쟁한다. 그러나 모든 해석은 얽힘이 측정값 간의 상관관계를 생성하고 얽힌 입자 간의 상호 정보를 이용할 수 있지만, 광속보다 빠른 속도로 정보를 전송하는 것은 불가능하다는 데 동의한다. 양자 얽힘은 광자, 중성미자, 전자, 버키볼만큼 큰 분자, 심지어 작은 다이아몬드까지 실험적으로 입증되었다. 통신, 연산, 양자 레이더의 관여의 활용은 연구 개발의 매우 활발한 영역이다.

양자 얽힘의 역사

강하게 상관된 시스템에 대한 양자역학의 반직관적 예측은 1935년 알버트 아인슈타인에 의해 보리스 포돌스키, 네이선 로젠과 공동 논문에서 처음 논의되었다. 이 연구에서, 이 세 사람은 양자역학 이론이 불완전하다는 것을 보여주려고 시도했던 사고 실험인 아인슈타인-포돌스키-로센 역설(EPR 역설)을 공식화했다. 그들은 다음과 같이 썼다: "따라서 우리는 파동함수에 의해 주어진 물리적 현실에 대한 양자-기계적 설명이 완전하지 않다는 결론을 내릴 수밖에 없다." 그러나 이 세 명의 과학자들은 얽힘이라는 단어에 동기를 부여하지도 않았고, 그들이 고려하는 국가의 특수성을 일반화하지도 않았다. EPR 논문에 이어 Erwin Schrödinger는 독일어로 아인슈타인에게 편지를 보내 "EPR 실험에서처럼 상호 작용했다가 분리되는 두 입자의 상관관계를 설명하기 위해 베르쉬르렌쿵(자신이 관여로 번역함)"이라는 단어를 사용했다.

슈뢰딩거는 그 직후에 "내부 요소"의 개념을 정의하고 토론하는 세미날 논문을 발표했다. 논문에서 그는 개념의 중요성을 인식하고 진술했다. "나는 하나의 양자역학의 특징이라기보다는, 고전적인 사상의 선으로부터 그것의 전적인 일탈을 강요하는 것이라고 할 것이다." 슈뢰딩거는 아인슈타인과 마찬가지로 얽힘의 개념에 불만족스러웠는데, 이는 상대성 이론에 내재된 정보의 전송 속도 제한을 위반하는 것 같았기 때문이다. 아인슈타인은 후에 얽히고설킨 것을 "스푸카프테 페르위르콩" 또는 "멀리서 무시무시한 행동"이라고 비웃었다." EPR 논문은 물리학자들 사이에서 상당한 관심을 불러일으켰고, 이는 양자역학의 기초에 대한 많은 논의를 불러일으켰지만, 상대적으로 출판된 다른 저작은 거의 없었다. 관심에도 불구하고 EPR의 주장의 약점은 1964년 존 스튜어트 벨이 EPR이 희망하는 종류의 숨겨진 변수 해석에 적용한 그들의 핵심 가정 중 하나인 지역성의 원리가 수학적으로 양자론의 예측과 일치하지 않는다는 것을 증명할 때까지 발견되지 않았다.

구체적으로, 벨은 벨의 불평등에서 볼 수 있는 상한을 지역 현실주의에 복종하는 어떤 이론에서도 만들어낼 수 있는 상관관계의 강도에 대해 증명했고, 양자 이론이 특정 얽힌 시스템에 대해 이 한계치의 위반을 예측한다는 것을 보여주었다. 그의 불평등은 실험적으로 실험할 수 있으며 1972년 스튜어트 프리드먼과 존 클라우저의 선구적인 연구와 1982년 알랭 양상의 실험을 시작으로 수많은 관련 실험이 있었다. 초기 실험적인 돌파구는 이미 1967년에 칼슘 원자로부터 연속적으로 방출된 두 개의 광자가 뒤얽힌 것으로 보이는 장치를 제시했던 칼 코허에 의한 것이었다. - 눈에 보이는 빛이 뒤엉킨 첫 사례였다. 두 광자는 정반대로 배치된 평행 편광자를 통과시켰고, 이는 고전적으로 예측된 것보다 높은 확률이지만 양자 기계적 계산과 정량적 합의의 상관관계와 함께 통과했다. 그는 또한 상관관계가 편광자 설정 사이의 각도에 따라서만 변화하고 방출된 광자 사이의 시차에 따라 기하급수적으로 감소한다는 것을 보여주었다. 더 나은 편광기가 장착된 코허의 기구는 프리드먼과 클라우저에 의해 사용되었는데, 프리드먼은 코사인 사각의존성을 확인하여 고정각의 집합에 대한 벨의 불평등 위반을 증명하는 데 사용할 수 있었다. 이 모든 실험은 국부적 사실주의 원칙보다는 양자역학과의 일치성을 보여 주었다.

수십 년 동안, 각각은 그 결과의 타당성에 의문을 제기할 수 있는 적어도 하나의 허점을 열어두었다. 그러나 2015년에는 검출 허점과 국소성 허점을 동시에 닫아 '루폴리스(loopole-free)'로 예고된 실험이 실시되었는데, 이 실험은 많은 종류의 국소적 사실주의 이론을 확실하게 배제했다. 알랭 사이언스는 그가 말하는 '극단적인' 독립성 허점인 '무시할 수 없는' '잔존적인 허점'은 아직 닫히지 않았으며, 자유 의지/초결정성의 허점은 "어떤 실험도 이상적으로 허점이 전혀 없다고 말할 수 없다"고 말했다." 소수의견은 양자역학이 맞지만, 일단 입자가 분리되면 뒤엉킨 입자 사이에 거리마다 초루미날 순간 작용이 없다는 것이다.벨의 연구는 이러한 초강력 상관관계를 의사소통을 위한 자원으로 활용할 가능성을 제기했다. 그것은 1984년 양자 키 분배 프로토콜의 발견으로 이어졌는데, 가장 유명한 것은 찰스 H. 베넷과 길레스 브래서드가 BB84를, 그리고 아르투르 에커트가 E91을 발견했다. BB84는 얽힘을 사용하지 않지만, 에커트의 프로토콜은 벨의 불평등 위반을 보안의 증거로 사용한다.