양자 얽힘

양자 얽힘은 두 입자가 일정한 양자 상태를 공유하여 하나의 계처럼 행동하는 현상이다. 예를 들어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 설정된 얽힘 상태에서는, 한 입자의 스핀을 측정하여 상태가 결정되는 순간 멀리 떨어진 다른 입자의 스핀 상태도 즉시 결정된다. 이러한 현상은 정보가 순식간에 이동하는 것처럼 보이며, 고전적인 물리 법칙으로는 설명하기 어려운 양자역학만의 고유한 특성이다.

양자 얽힘은 양자역학의 코펜하겐 해석에서 도출되는 결론이었으나, 그 비직관적인 성질 때문에 초기에는 많은 논란이 있었다. 알베르트 아인슈타인, 보리스 포돌스키, 네이선 로젠은 1935년 발표한 EPR 논문을 통해 양자역학이 불완전하다고 주장하며 '숨은 변수 이론'을 제안하였다. 이들은 물리적 실재가 국소적이어야 한다는 국소성의 원리를 강조했으나, 이후 실험적 증명을 통해 양자역학의 예측이 옳음이 밝혀졌다.

존 벨은 양자역학의 비국소적 상관관계와 국소적 숨은 변수 이론을 구별할 수 있는 수학적 부등식을 고안하였다. 만약 숨은 변수 이론이 옳다면 측정 결과는 벨의 부등식을 만족해야 하지만, 양자역학은 이 부등식을 위배할 것을 예측하였다. 이후 진행된 여러 실험에서 벨의 부등식이 위배됨이 확인됨에 따라, 양자 얽힘의 비국소적 성질은 현대 물리학의 정설로 받아들여지게 되었다.

벨 상태(Bell State)는 양자 얽힘을 보여주는 가장 대표적인 예시로, 두 큐비트(Qubit)의 상태를 기술하는 네 가지 기저 상태를 의미한다. 벨 상태에 있는 두 큐비트는 항상 특정한 상관관계를 유지한다. 예를 들어 큐비트 A를 측정하여 0이 나오면, 아무리 멀리 떨어진 큐비트 B라도 측정과 동시에 그 상태가 0으로 결정되는 식이다. 이때 개별 큐비트의 상태는 정의되지 않으며 오직 전체 시스템의 상태로만 설명이 가능하다.

국소성의 원리는 어떤 계의 정보가 반드시 그 주위를 통해서만 매개되어야 한다는 원칙이다. 양자 얽힘은 주위를 통하지 않고 정보가 전달되는 것처럼 보여 이 원리와 모순을 일으키는 것처럼 비춰졌다. 그러나 현대적 해석에 따르면 얽힘 현상은 실제 유의미한 정보의 전송 속도(광속)를 위반하지 않으면서도 비국소적 상관관계를 가질 수 있음이 연구되고 있다.

양자 얽힘 이론은 현대 과학 기술의 여러 분야에서 핵심 리소스로 활용된다.

• 양자컴퓨터: 큐비트 간의 얽힘을 이용하여 고전 컴퓨터보다 월등히 빠른 병렬 연산을 수행한다.
• 양자암호: 얽힘 상태의 변화를 감지하여 도청이 불가능한 보안 통신망을 구축한다.
• 양자전송: 입자 자체를 보내지 않고 양자 상태 정보를 한 곳에서 다른 곳으로 전송하는 기술로 연구되고 있다.