양자얽힘이 뭘까?

이미지로 포착한 양자얽힘

안녕하세요 보슬입니다 :)

양자얽힘에 대해서 들어보신 적 있으신가요?
오늘은 양자 얽힘이라는게 무엇인지 함께 알아보려고 합니다

< 양자 얽힘 이란? >
양자 얽힘은 영어로 Quantum Entanglement 이라고 한다.
양자 얽힘은 양자 역학의 핵심 개념 중 하나이다.
두 개 이상의 입자가 서로 독립적인 존재로 행동하지 않고, 하나의 상태를 공유하며 긴밀하게 연결된 현상을 의미한다.

얽힌 입자들은 공간적으로 멀리 떨어져 있다고 하더라도 서로의 상태에 영향을 미칠 수 있다.
한 입자의 상태가 측정되면 다른 입자의 상태가 즉시 결정된다.
이 특성은 고전 물리학에서 볼 수 없는 현상으로, 아인슈타인조차 이를 “원거리에서의 유령 같은 작용”이라고 부르며 의아해했다고 한다.

양자는 독립적으로 행동하지 않으며 멀리 떨어져 있어도 얽혀있다는게 사실이 신기한 것 같다.

이번에는 양자 얽힘의 특성에 대해서 알아보자

< 양자 얽힘의 특성 >
양자 얽힘에서 중요한 특성 중 하나는 비국소성이다.
비국소성은 얽힌 입자가 아무리 멀리 떨어져 있다 하더라도 한 입자의 상태 변화가 바로 다른 입자에게 영향을 준다는 것이다.
이러한 비국소적 특성은 정보가 빛보다 빠르게 전달되는 것으로 보일 수 있겠다.
하지만 사실 이 얽힘은 고전적인 통신 수단 없이 정보를 즉각적으로 공유하는 현상이 아니다.
얽힌 상태에서 정보는 이미 공유되고 있는 것이며, 이를 활용한 통신은 여전히 고전적인 방법으로 이루어져야 한다.

한줄로 정리해보면,  양자 얽힘의 핵심 특성은 아무리 입자가 떨어져 있더라도 즉각적으로 상태변화가 된다는 것이다.

그럼 이걸 양자 얽힘을 어떻게 증명할 수 있을까?


< 얽힘의 실험적 증명 >
얽힘 현상은 수많은 실험을 통해 증명되었다.
대표적 실험으로는 1980년대에 프랑스의 물리학자 알랭 아스페(Alain Aspect)가 진행한 실험이다.
그는 우선  두 개의 광자를 얽힌 상태로 만들었다.
그리고 이 광자들이 서로 멀리 떨어진 위치에서 측정했을때, 각각의 결과가 상관관계를 보인다는 사실을 확인했다.
(*상관관계 : 두 변수 간의 관계를 나타내는 개념으로, 상관관계에 있을때 두 변수는 함께 변화하는 경향을 보인다)
이 실험을 통해 양자 얽힘의 현실성이 입증되었다.
이후에도 다양한 실험들이 양자 얽힘을 뒷받침했다.
이는 양자 컴퓨팅과 양자 암호화 기술 등의 발전에 기여하였다.

이후에 어떻게 양자 얽힘을 활용할 수 있는지에 대해서 알아보자.

< 양작 얽힘의 응용 가능성 >
양자 얽힘은 여러 첨단 기술에서 중요한 역할을 하고 있다.
양자 컴퓨팅에서는 얽힘을 활용해 기존의 컴퓨터보다 훨씬 빠르게 계산할 수 있는 가능성을 제시하고 있다. 얽힌 큐비트는 병렬로 많은 정보를 처리할 수 있으며, 이는 복잡한 문제 해결에 강점을 가지는게 된다.  
(* 큐비트 : 양자 컴퓨터에서 정보를 저장하고 처리하는 기본 단위)

또한 양자 암호화는 얽힘을 통해 해킹이 불가능한 보안 시스템을 구축할 수 있는 가능성을 열어준다. 이 외에도 양자 통신, 양자 센서 등 다양한 분야에서 얽힘의 응용 가능성은 매우 크다.
이렇듯 다양한 곳에 양자 얽힘을 사용할 수 있다.

이 양자 얽힘은 언제부터 발견되고 있어지게 된걸까?
양작 얽힘의 기원과 역사에 대해서 알아보자.

< 양자 얽힘의 기원과 역사 >
양자 얽힘은 1935년 아인슈타인, 로젠,포돌스키가 제기한 EPR 역설에서 처음으로 학문적으로 논의되기 시작했다.
아인슈타인, 로젠, 포돌스키는 양자 역학이 완전하지 않다는 주장을 했다.
얽힘 상태의 입자 간에 신속한 정보 전달을 지적했다. 이들은 “국소성” 원칙에 따라 빛의 속도를 초과하는 정보 전달이 불가능하다는 아인슈타인의 상대성 이론과 양립할 수 없다고 보았다.
그러나 이후 존 벨의 벨 부등식(Bell’s Inequality)을 통해 이러한 국소성 원칙을 넘어서는 양자 얽힘의 실험적 증거가 제시되었다. 양자 얽힘은 현실적으로 확인된 현상임이 입증되었다.