양자 얽힘 - Quantum entanglement [2]

양자 얽힘의 의미

얽힌 시스템은 양자 상태를 그것의 지역 구성 요소들의 상태의 산물로 간주할 수 없는 것으로 정의된다. 즉, 그것들은 개별 입자가 아니라 불가분의 전체다. 얽힘에서 한 구성 요소는 다른 구성 요소를 고려하지 않고 완전히 설명할 수 없다. 복합 시스템의 상태는 항상 지역 구성 요소 상태의 생산물의 합 또는 중첩으로 표현 가능하다. 이 합이 반드시 두 개 이상의 용어를 갖는다면 얽혀 있다. 양자 시스템은 다양한 형태의 상호작용을 통해 얽힐 수 있다. 실험 목적으로 관여할 수 있는 몇 가지 방법은 아래 방법을 참조하십시오. 얽힘은 예를 들어 측정 시 환경과의 상호작용을 통해 얽힌 입자가 제거될 때 깨진다.

얽힘의 예로서 아원자 입자는 얽힌 한 쌍의 다른 입자로 분해된다. 부패사건은 다양한 보존법에 따르며, 그 결과, 한 딸 입자의 측정 결과는 다른 딸 입자의 측정 결과와 높은 상관관계가 있어야 한다. 따라서 총 모멘트, 각도 모멘트, 에너지 등은 이 과정의 전후에 거의 동일하게 유지된다. 예를 들어, 스핀 영 입자는 스핀 영입자 한 쌍으로 붕괴될 수 있다. 이 붕괴 전후의 총 스핀은 0이어야 하므로, 첫 번째 입자가 어떤 축에서 스핀 업으로 측정될 때마다 다른 입자는 항상 스핀 다운이 확인된다. 우리가 언급된 두 입자를 분리한다면 얽힘의 특수성은 더 잘 관찰될 수 있다. 그중 하나를 워싱턴 백악관에, 다른 하나는 버킹엄 궁전에 두자(이것을 실제 실험이 아닌 사고 실험으로 생각해 보자. 자, 이러한 입자 중 한 개의 특정 특성을 측정하여 결과를 얻은 다음, 동일한 기준(동일한 축을 따라 스핀)을 사용하여 다른 입자를 측정하면, 두 번째 입자의 측정 결과가 (보완적인 의미에서는) 첫 번째 입자의 측정 결과와 일치한다는 것을 알게 된다. 입자는 그들의 가치관이 정반대가 될 것이다.

위의 결과는 놀라움으로 인식되거나 인식되지 않을 수 있다. 고전적 시스템은 동일한 특성을 나타낼 것이며, 고전적 역학과 양자 역학의 각운동량 보존에 기초하여 숨겨진 변수 이론이 분명히 요구될 것이다. 차이점은 고전적인 시스템은 모든 관측 가능한 것들에 대해 확실한 가치를 가지고 있는 반면, 양자 시스템은 그렇지 않다는 것이다. 아래에서 논의해야 할 의미에서, 여기서 고려된 양자 시스템은 첫 번째 입자를 측정할 때 다른 입자의 축을 따라 스핀을 측정한 결과에 대한 확률 분포를 얻는 것처럼 보인다. 이 확률 분포는 일반적으로 첫 번째 입자를 측정하지 않는 것과 다르다. 이는 공간적으로 분리된 뒤엉킨 입자의 경우 분명 놀라운 것으로 인식될 수 있다.

역설

역설적인 것은 두 입자 중 하나에 대한 측정이 전체 얽힌 시스템의 상태를 붕괴시키고, 측정 결과에 대한 어떤 정보가 다른 입자에게 전달되기 전에(정보가 빛보다 더 빨리 이동할 수 없다고 가정함) 즉 즉시 그렇게 하고, 따라서 "속성"을 보장한다는 것이다. 뒤얽힌 쌍의 다른 부분의 측정 결과. 코펜하겐 해석에서 한 입자에 대한 스핀 측정의 결과는 각 입자가 측정 축을 따라 일정한 스핀(위 또는 아래)을 갖는 상태로 붕괴되는 것이다. 결과는 무작위로 측정되며, 각 가능성은 50%의 확률을 가진다. 다만 두 스핀을 같은 축을 따라 측정하면 반관성인 것으로 파악된다. 이것은 한 입자에 대한 측정의 무작위 결과가 다른 입자에게 전달된 것으로 보여, 그것 역시 측정되었을 때 "올바른 선택"을 할 수 있다는 것을 의미한다.

측정값의 거리와 타이밍은 두 측정값 사이의 간격을 공간처럼 만들기 위해 선택할 수 있으므로, 사건을 연결하는 인과적 효과는 빛보다 더 빨리 이동해야 한다. 특수상대성이론의 원리에 따르면, 어떤 정보도 그러한 두 측정 사건 사이를 이동하는 것은 불가능하다. 어떤 측정이 먼저 나왔는지조차 알 수 없다. 공간과 같은 두 개의 분리된 이벤트 X₁과 X₂의 경우 X₁이 먼저이고 X₂가 먼저인 관성 프레임이 있다. 따라서 두 측정치 사이의 상관관계는 다른 측정치를 결정하는 하나의 측정치로서 설명될 수 없다. 즉, 원인과 효과의 역할에 대해 서로 다른 관측치들이 서로 다를 수 있다. 사실 비슷한 역설은 얽힘이 없어도 발생할 수 있다. 하나의 입자의 위치가 우주에 퍼져 있고, 두 개의 다른 장소에서 입자를 탐지하려고 하는 두 개의 널리 분리된 검출기가 즉시 적절한 상관관계를 얻어야만 그 입자가 둘 다 검출되지 않는다.

숨겨진 변수 이론

역설의 가능한 분해능은 양자 이론이 불완전하다고 가정하는 것이며, 측정의 결과는 미리 정해진 "숨겨진 변수"에 달려 있다. 측정되는 입자의 상태에는 분리의 순간부터 스핀 측정의 결과가 어떻게 될지를 효과적으로 결정하는 몇몇 숨겨진 변수가 포함되어 있다. 이는 각 입자가 필요한 모든 정보를 이 입자와 함께 운반한다는 것을 의미하며, 측정 시 한 입자에서 다른 입자로 전송될 필요는 없다. 아인슈타인 등(앞 절 참조)은 원래 이것이 역설에서 벗어나는 유일한 방법이라고 믿었고, 수용된 양자역학적 서술은 불완전해야 한다.

벨의 불평등

그러나 국소 숨은 변수 이론은 서로 다른 축을 따라 얽힌 입자의 스핀 측정을 고려할 때 실패한다. 만일 그러한 측정의 많은 쌍이 (많은 쌍의 뒤엉킨 입자에 대해) 이루어진다면, 통계적으로, 국소 현실주의자 또는 숨겨진 변수 관점이 정확하다면, 그 결과는 항상 벨의 불평등을 만족시킬 것이다. 벨의 불평등이 충족되지 않는다는 것을 실제로 여러 실험이 보여주었다. 그러나 2015년 이전에는 이 모든 것이 물리학계에서는 가장 중요하게 여겨졌던 허점 문제를 안고 있었다. 각 측정(자체 상대론적 시간 프레임)이 다른 측정보다 먼저 발생하는 이동 상대론적 기준 프레임에서 뒤엉킨 입자의 측정을 할 때 측정 결과는 상관관계를 유지한다.

다른 축을 따라 스핀을 측정하는 것에 관한 기본적인 문제는 이러한 측정치가 동시에 명확한 값을 가질 수 없다는 것이다. 이러한 측정의 최대 동시 정밀도는 불확실성 원리에 의해 제약된다는 점에서 양립할 수 없다. 이것은 임의의 정확도로 여러 가지 성질을 동시에 측정할 수 있는 고전 물리학에서 발견되는 것과 반대되는 것이다. 양립가능한 측정이 Bell-inequality-bioring 상관관계를 보여줄 수 없다는 것이 수학적으로 증명되어 왔으며, 따라서 얽힘은 근본적으로 비종류적인 현상이다.

기타 실험 유형

2012년과 2013년 실험에서는 시간 내에 공존하지 않는 광자 사이에 양극화 상관관계가 형성됐다. 저자들은 이 같은 결과가 초기 쌍의 광자 1개의 양극화를 측정한 뒤 얽힌 두 쌍의 광자 간 스와핑에 얽혀 이뤄졌으며, 양자 비지역성이 우주뿐 아니라 시간적으로도 적용된다는 것을 증명한다고 주장했다. 

2013년 세 차례의 독립적인 실험에서 고전적으로 통신 가능한 분리 양자 상태를 사용하여 뒤엉킨 상태를 운반할 수 있다는 것이 입증되었다. 벨 불평등 위반을 확인하는 첫 번째 허점 없는 벨 테스트가 2015년 TU 델프트에서 열렸다.

2014년 8월 브라질 연구원 가브리엘라 바레토 레모스와 연구팀은 피사체와 상호작용하지 않은 광자를 이용해 물체를 '사진'할 수 있었지만, 그러한 물체와 상호작용하는 광자와 얽혔다. 비엔나 대학의 레모스는 이 새로운 양자 이미지 기술이 생물학적 혹은 의학적인 이미징과 같은 분야에서 낮은 빛 이미징이 필수적인 응용 프로그램을 찾을 수 있을 것이라고 확신한다. 

2015년 하버드 대학의 마커스 그리너(Markus Greiner) 그룹은 초경량 보스니아 원자의 시스템에서 레이니 얽힘에 대한 직접 측정을 수행했다.

2016년부터 IBM, 마이크로소프트 등과 같은 다양한 기업들. 양자 컴퓨터를 성공적으로 만들고 개발자와 기술 애호가들이 양자 얽힘을 포함한 양자역학의 개념을 공개적으로 실험할 수 있도록 허용했다.

시간의 신비

시간 개념을 양자 얽힘의 부작용인 급발진 현상으로 봐야 한다는 제안이 나왔다. 즉, 시간은 모든 동일한 시계 판독치(올바르게 준비된 시계 또는 시계처럼 사용할 수 있는 물체)를 동일한 역사에 배치하는 얽힘 현상이다. 이것은 1983년 돈 페이지와 윌리엄 워터스에 의해 완전히 이론화되었다. 일반 상대성 이론과 양자역학을 결합한 휠러-디윗 방정식은 1960년대에 도입되었으며, 1983년에 페이지와 뷔터가 양자 얽힘에 기반한 솔루션을 만들면서 다시 채택되었다. 페이지와 부터는 얽힘이 시간을 측정하는 데 사용될 수 있다고 주장했다. 2013년 이탈리아 토리노의 이스티투토 나치오날레 디 리체르카 메타도리카(INRIM)에서 연구원들은 페이지와 우터스의 아이디어에 대한 첫 번째 실험 테스트를 실시했다. 그들의 결과는 시간이 내부 관찰자들에게는 비상현상이지만 휠러-디윗 방정식이 예측하는 것처럼 우주의 외부 관찰자들에게는 부재하다는 것을 확인하기 위해 해석되었다.

시간 화살표의 출처

물리학자인 세스 로이드는 양자적 불확실성이 시간의 화살의 발상원인 얽힘을 초래한다고 말한다. 로이드에 따르면, "시간의 화살은 상관관계를 증가시키는 화살이다." 얽힘에 대한 접근방식은 한 입자의 측정 원인이 다른 입자의 측정 결과의 영향을 결정한다는 가정 하에 시간의 인과적 화살표의 관점에서 이루어질 것이다.

비상 중력

Mark Van Raamsdonk는 AdS/CFT 통신에 기초하여, 스페이스타임이 시공간의 경계에 얽혀 살고 있는 양자 자유도의 새로운 현상으로 발생한다고 제안했다. 유도 중력은 얽히고설킨 제1법칙에서 나올 수 있다.