양자 얽힘(Quantum Entanglement)

양자 얽힘의 이해 : 입자 간의 유령 같은 연결

이전 포스팅에서는 양자 역학의 중요한 이론인 입자-파동의 이중성에 대해 기술하였고, 이번에는 마찬가지로 매우 흥미로운 개념인 양자 얽힘(Quantum Entanglement)에 대한 내용을 소개할 것이다. 간단히 말해서 얽힘은 두 개 이상의 입자가 멀리 떨어져 있어도 상태가 서로 의존하는 방식으로 연결되는 현상이다. 이 포스팅에서는 양자 얽힘의 기초와 그것이 우주에 대한 우리의 이해에 어떤 중요한 영향을 미치는지 탐구할 것이다.

 

Quantum Entanglement 예시 (made by OLCF at ORNL)

양자 얽힘이란?

양자 얽힘이란 두 개 이상의 입자의 상태가 서로 연관되는 방식으로 상호 작용할 때 발생한다. 이것은 한 입자의 상태가 다른 입자의 상태에 따라 달라짐을 의미한다. 놀라운 것은 거리가 멀어도 마찬가지다. 이 상관관계는 입자가 이전에 서로 상호 작용한 적이 없는 경우에도 존재할 수 있다. 

 

양자 얽힘의 개념은 알버트 아인슈타인(Albert Einstein)이 만든 문구인 "spooky action at a distance(원격에서의 유령 같은 행동)"으로 종종 언급 된다. 이는 입자가 서로 근접한 경우에만 서로에게 영향을 미칠 수 있음을 시사하는 고전적인 국소성 개념을 위반하기 때문이다.

 

양자 얽힘 이론

양자 얽힘 이론은 유명한 물리학자이자 양자 역학의 창시자 중 한 명인 에르빈 슈뢰딩거(Erwin Schodinger)에 의해 처음 제안 되었다. 1935년 슈뢰딩거는 "Discussion of Probability Relations between Separated Systems"라는 제목의 논문에서 얽힘의 개념을 소개했다. 슈뢰딩거는 얽힌 두 입자의 예를 사용하여 "한 입자의 상태는 다른 입자의 상태와 상관관계가 있다"고 말했다. 그는 또한 양자 시스템의 상태를 설명하는 수학적 함수인 "파동 함수"의 아이디어를 제안했다.

 

양자 얽힘과 관련된 일화

양자 얽힘과 관련하여 알버트 아인슈타인(Albert Einstein), 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)에 대한 일화가 있다. 1935년에 세 명의 과학자는 "물리적 현실에 대한 양자 역학적 설명이 완전하다고 간주될 수 있는가?"라는 제목의 논문을 발표했다. 그들은 양자 역학이 불완전한 이론이라고 주장했다. 그들은 두 개의 얽힌 입자를 포함하는 사고 실험을 제안하고 그 이론이 국소성의 원칙을 위반한다고 주장했다. 아인슈타인, 포돌스키, 로젠은 양자 얽힘을 설명하는 유일한 방법은 이론에서 설명되지 않는 숨겨진 변수를 도입하는 것이라고 믿었을 만큼 양자 역학을 인정하지 않았다.

 

양자 얽힘은 어떻게 작동하는가?

양자 얽힘은 두 입자가 중첩된 상태에 있을 때 발생한다. 이것은 각 입자가 측정될 때까지 동시에 여러 상태로 존재하며 측정 시점에서 단일 상태로 붕괴됨을 의미한다. 두 입자가 얽히게 된다면 상태가 서로 연관되게 되는데 즉, 한 입자가 측정되어 상태가 붕괴되면 두 입자가 멀리 떨어져 있어도 다른 입자의 상태도 붕괴된다.

 

양자 얽힘의 의미

양자 얽힘은 우주에 대한 우리의 이해에 중요한 의미가 있다. 가장 중요한 것 중 하나는 양자 순간이동의 가능성이다. 이것은 물질의 실제 순간이동을 포함하지 않지만 한 위치에서 다른 위치로 양자 정보를 전송하는 것을 포함한다. 이것은 암호화 및 컴퓨팅과 같은 분야에 중요한 영향을 미친다.

 

양자 얽힘의 또 다른 의미는 우리가 관찰할 수 있는 것 너머에 숨겨진 현실의 존재를 암시한다는 것이다. 이 숨겨진 현실은 종종 "양자 세계"라고 불리며 우리가 물리적 세계에서 관찰하는 얽힘의 근원으로 여겨진다.

 

미래 연구 및 응용

양자 얽힘은 미래의 연구 및 응용 분야에서 엄청난 잠재력을 가지고 있다. 예를 들어 얽힘은 장거리 보안 통신에 사용될 수 있다. 이 아이디어는 암호화에 사용할 수 있는 공유 비밀 키를 만드는 데 두 개의 얽힌 입자를 사용할 수 있다는 것이다. 누군가 키를 가로채려고 하면 얽힌 입자가 풀리면서 발신자와 수신자에게 침입사실을 알리게 되는 것이다.

 

양자 얽힘은 양자 컴퓨팅에도 사용될 수 있다. 양자 컴퓨터는 양자 역학의 원리를 기반으로 하며 기존 컴퓨터보다 훨신 빠르게 특정 계산을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 비트를 사용하여 정보를 0 또는 1로 나타내는 기존 컴퓨터와 달리 양자 컴퓨터는 0과 1 상태의 중첩 상태로 동시에 존재할 수 있는 양자 비트 또는 큐비트를 사용한다. 이 중첩을 통해 양자 컴퓨터는 여러 계산을 병렬로 수행할 수 있으므로 상당한 계산 속도 향상 가능성을 제공한다.

 

큐비트에 대해 좀더 자세히 설명하면, 큐비트는 포획된 이온, 초전도 회로 또는 개별 광자와 같은 다양한 물리적 시스템을 사용하여 만들 수 있다. 큐비트의 놀라운 특징 중 하나는 서로 얽히는 능력이다. 얽힘 과정을 통해 큐비트는 상호 연결되어 복잡한 계산을 수행하는 양자 회로를 생성할 수 있게 되는 것이다. 멀리 떨어진 경우에도 한 큐비트의 상태가 다른 큐비트의 상태와 상호 연관되는 얽힘 현상을 통해 양자 순간이동, 양자 오류 수정, 고전 컴퓨터보다 기하급수적으로 빠른 큰 숫자 분해와 같은 양자 알고리즘에서 강력한 작업을 수행하는데 활용될 수 있다.

 

중력에 대한 우리의 이해를 향상시키기 위해 얽힘의 잠재적 사용에 대한 연구도 진행 중이다. 이론물리학자인 후안 말다세나(Juan Maldacena)는 얽힘이 중력의 수수께끼를 푸는 열쇠가 될 수 있다는 새로운 이론을 제안했다. ER=EPR 추측으로 알려진 말다세나의 이론은 시공간의 지름길을 제공할 수 있는 이론적 대상인 얽힘과 웜홀 사이의 연결을 제안한다.

 

결론

 

양자 얽힘은 양자 역학에서 흥미롭고 중요한 개념이다. 그것은 물리적 세계에 대한 우리의 이해를 증진시키고 미래의 연구와 응용에 중요한 의미를 가지고 있다. 얽힘에 대해 아직 이해하지 못하는 것이 많지만 암호화, 컴퓨팅 및 중력과 같은 분야에서 진행 중인 연구는 얽힘의 힘을 활용해 복잡한 문제를 해결하고 이전에는 상상할 수 없었던 목표를 달성할 수 있는 새로운 가능성을 보여줄 수 있는 것만으로도 그 의의가 크다.