양자얽힘이란 무엇인가

양자얽힘이란 무엇인가

"양자 얽힘"은 현대 공상 과학 영화에서 잘 드러나는 몇 가지 줄거리 장치 중 하나이다. 예를 들어, 마블 슈퍼히어로 영화의 팬들은 서로 다른 시간선이 합쳐지고 교차하는 것, 또는 등장인물들의 운명이 겉으로 보기에 마술적인 수단을 통해 얽히는 것에 익숙할 것이다. 하지만 "양자 얽힘"은 공상 과학 유행어가 아닙니다. 이것은 매우 현실적이고, 복잡하고, 유용한 현상입니다. 얽힘(Entanglement)은 양자역학(quantum mechanics)으로 알려진 물리학의 광범위한 개념의 한 단면이며, 이는 원자, 나아가 아원자 수준에서 자연의 행동을 기술하는 이론이다. 얽힘을 이해하고 활용하는 것은 많은 첨단 기술을 만드는 데 있어 핵심입니다. 여기에는 일반 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 특정 문제를 해결할 수 있는 양자 컴퓨터, 도청자가 들을 가능성이 전혀 없이 서로 통신할 수 있는 양자 통신 장치가 포함된다. 하지만 양자 얽힘이란 정확히 무엇일까요? 양자역학에서 두 입자는 한 입자가 다른 입자에 대한 모든 정보를 포함하지 않고 완벽하게 설명될 수 없을 때 얽힌다고 한다. 이러한 종류의 생각은 언뜻 보기에 이치에 맞는 것처럼 보일 수 있지만, 그것은 이해하기 어려운 개념이며, 물리학자들은 여전히 그것에 대해 더 많이 배우고 있다. 양자 주사위 여러분과 여러분의 친구 탄디에게 각각 작고 불투명한 블랙박스를 준다고 가정해봅시다. 각 상자에는 일반적인 6면 다이가 들어 있습니다. 두 사람 모두 주사위를 섞기 위해 상자를 가볍게 흔들라는 말을 듣는다. 그럼 헤어지세요. 탄디는 남아프리카의 한 도시 케이프타운으로 가고, 당신은 다른 도시 더반으로 돌아옵니다. 여러분은 그 과정에서 서로 의사소통을 하지 않습니다. 집에 돌아오면 각자 상자를 열고 주사위에 있는 위쪽을 보세요. 일반적으로, 여러분과 탄디가 보는 숫자 사이에는 상관관계가 없습니다. 그녀는 여러분과 마찬가지로 1과 6 사이의 어떤 숫자도 관찰할 수 있을 것입니다. 중요한 것은, 그녀가 죽으면서 보는 숫자는 여러분이 보는 숫자와 아무런 관련이 없다는 것입니다. 이것은 놀랄 일이 아니다. 사실, 그게 세상이 보통 어떻게 돌아가는 방식이다. 그러나 만약 우리가 이 예를 "양자"로 만들 수 있다면, 그것은 매우 다르게 행동할 수 있을 것이다. 이제 제가 탄디와 당신에게 먼저 상자를 가볍게 두드려보고 나서, 그것들을 따로 흔들고 각자 다른 길로 향하라고 전한다고 가정해 봅시다. 양자역학 유추에서, 상자를 서로 두드리는 이 행동은 주사위를 매혹시키고 그것들을 신비로운 방식으로 연결시킬 것이다. 일단 여러분이 집에 도착하고, 여러분의 상자를 열고, 숫자를 보면, 여러분의 번호와 탄디는 완벽하게 상관관계가 보장된다. 더반에서 '4'를 보면 케이프타운의 탄디도 사망 시 '4'를 측정할 수 있다는 것을 알 수 있습니다. '6'을 보게 된다면, 그녀도 그렇게 할 것입니다. 이 비유에서 주사위는 개별 입자들(원자나 광자라고 불리는 빛의 입자와 같은)을 나타내며, 물리적으로 박스를 두드려서 그것들을 얽히게 하는 마술적인 행위이다. 그래서 하나의 주사위를 측정하면 다른 것에 대한 정보를 얻을 수 있다. 더 나은 얽힘 만들기 우리가 아는 한, 주사위 한 쌍이나 다른 물체들을 우리 인간의 거시적 스케일에 매혹시키는 마법의 상자 두드리는 행동은 없다. 현재로서는, 과학자들은 이온이라 불리는 하전된 원자나 트랜슨이라 불리는 특별한 초전도 장치와 같은 양자 효과를 관찰하는 것이 훨씬 더 쉬운 미시적인 수준에서 물건들을 사용하는 것에 만족해야 한다. 이것은 남아프리카에 있는 위트워터즈랜드 대학의 구조화된 빛 실험실에서 수행된 작업입니다. 그러나, 이온이나 트랜슨 대신에, 실험실의 연구원들은 양자 역학과 그것의 의미를 더 잘 이해하기 위해 광자라고 불리는 빛의 입자를 사용한다. 우리는 빛의 양자적 특성을 다양한 목적으로 사용하는 데 관심이 있다. 즉, 악의 있는 제3자가 완전히 해킹할 수 없는 효율적인 통신 시스템을 설계하는 것부터 민감한 생물학적 샘플을 손상시키지 않고 촬영하는 방법을 만드는 것까지. 이와 같은 연구는 종종 우리에게 특별히 만들어진 상태의 얽힌 광자로 시작하도록 요구한다. 하지만 그것은 두 개의 주사위를 각각 다른 상자에 넣고 그것들을 함께 두드리는 것만큼 간단하지 않다. 실제 실험실에서 엉킨 광자를 만드는 데 사용되는 과정은 많은 실험 변수에 의해 제약을 받는다. 여기에는 실험에 사용되는 레이저 빔의 모양과 얽힌 광자가 생성되는 작은 결정의 크기가 포함됩니다. 이는 연구자들이 실험이 완료되면 일부 측정값을 선택적으로 폐기해야 하는 수준 이하의 결과 또는 이상적이지 않은 상태를 제공할 수 있다. 이것은 최적의 상황이 아니다. 광자는 버려지고 그래서 에너지가 낭비된다. 연구소의 연구자들 중 한 그룹은 최근에 이 문제를 해결하기 위해 한 걸음을 내디뎠다. 저널 기사에서, 우리는 실험자가 실험을 시작하고 싶어하는 엉킨 상태를 가능한 한 잘 만들기 위해 최적의 레이저 모양이 무엇이 되어야 하는지를 수학적으로 계산했다. 이 방법은 실험 시작 시 입력 레이저 빔 모양을 변경하여 실험 후반부에 얽힌 광자 생성 프로세스를 최대화할 것을 제안한다. 이것은 여러분이 원하는 방식으로 실험을 수행할 수 있는 더 많은 광자를 의미하고, 더 적은 광자를 의미할 것입니다. 제안된 것과 같은 기술을 사용하여 얽힘 생성 및 조작 프로세스의 효율성을 향상시키는 것은 양자 암호화 시스템 및 이미 언급된 다른 기술과 같은 많은 다른 양자 기술의 효율성을 최적화하는 데 중요할 것이다. 이는 4차 산업혁명이 세계적으로 진행되고 양자역학을 핵심으로 하는 기술이 의심할 여지 없이 보편화됨에 따라 특히 중요하다.