양자역학적으로 얽힌 입자쌍들(Pairs of quantum-mechanically entangled particles)은 거리에 관계없이 상호 무엇이 일어나고 있는지를 즉각적으로 알고 있는 것 같다. 다시 말해 이들은 빛 보다 더욱 빠른 어떤 신호(signal)로 연결되어 있다는 것이다. 실험에서 설사 이 신호들이 동시에 일어나지 않는다 해도 이 신호는 정말 빠르며 빛 보다 빠름이 증빙되었다(Experiments show that even if this signalling is not instantaneous, it must be really, really fast)고 Rudolph(2008)1)는 설명한다. 즉, 양자 얽힘(quantum entanglement)은 광속 보다 1만배나 빠르게 일어난다는 사실이 실험으로 증빙된 것으로, 빛 보다 빠른 모종의 연결 고리인 신호가 발견된 것이다.

1) Rudolph, Terence G., "Quantum mechanics: The speed of instantly(양자 역학 : 동시 스피드)", Nature, Vol. 454, No. 7206, pp. 831-832, 14 August 2008.
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[목차]

1. 아인슈타인의 주문(mantra)과 빛보다 빠른 양자얽힘 신호
2. 양자 얽힘(Quantum entanglement)과 중첩(Superposition)
3. 떨어진 두 입자를 연결하는 중재 신호(mediation signal)
4. 어떻게 발견했나
5. 관련 참고
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1. 아인슈타인의 주문(mantra)과 빛보다 빠른 양자얽힘 신호

광속(speed of light)에 관한 표준 정의(standard metric)는 빛이 진공상태(in vacuum)에서 진행하는(light traveling) 속도를 가리키는데 'c'로 알려진 이 상수(constant)는 초속 30만㎞(186,000 마일)로 또는 대기중 음속(speed of sound in air, 초속 340 미터)에 비해 100만 배 가량 빠른 것으로 알려져 있다.

아인슈타인의 상대성 이론(Einstein's theory of relativity)의 핵심은 "어떤 물질이나 신호도 빛(c)보다 빠르게 이동할 수 없다(nothing travels faster than light)"는 것이다. 그런데 잘 알려지지 않은 양자역학이론(theory of quantum mechanics)은 원자나 양성자/중성자 등의 소립자 시스템에서 나타나는 특이한 행동들을 다루는데, 이들 소립자들은 아인슈타인의 기본 원리 정신을 위반 하고 있다는 사실이다. 즉 빛보다 빠르게 움직인다는 것이다. 양자역학은 어떤 특정 상황에서, 거리에 관계 없이, 어느 한 입자의 행동은 다른 곳에 있는 입자의 성질을 즉각적으로 변화시킨다. 20km이건 100km 떨어진 곳이든 이쪽의 한 입자가 오른쪽으로 돌면 저쪽의 입자도 오른쪽으로 돈다. 이 즉각적(instantaneous)인 변화는 빛보다 빠르다는 것이 스위스 제네바 대학 연구진들이 실험에서 증빙하였는데, 이번 연구는 2008년 8월 14일자 Nature지에 "Testing the speed of 'spooky action at a distance'(원격 상태에서 일어나는 유령 현상의 스피드 테스팅)"(Salart et al., 2008)2)이라는 논문으로 발표되었다.

2) Salart, Daniel, Augustin Baas, Cyril Branciard, Nicolas Gisin & Hugo Zbinden, "Testing the speed of 'spooky action at a distance'(원격 상태에서 일어나는 유령 현상의 스피드 테스팅)", Nature, Vol. 454, No. 7206, pp. 861-864, 14 August 2008.

2. 양자 얽힘(Quantum entanglement)과 중첩(Superposition)

이중성원리(二重性原理 duality principle)란 “모든 물질은 입자성과 파동성을 함께 가진다”는 원리를 말한다. 이는 바로 양자역학의 탄생에 결정적인 영향을 미친 프랑스의 드브로이(Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie)가 제안한 물질과 파동의 이중성이다. 드브로이는 1929년 전자들의 파동성질에 대한 발견으로(for his discovery of the wave nature of electrons)로 노벨 물리학상을 수상한다.

따라서 개개의 전자들은 파동-입자의 이중성(Wave-Particle Duality)을 갖고 있다. 전자들이 파동적 성질을 갖고 있다면 그 파동의 정체는 무엇인가? 쉬레딩거(Erwin Schrodinger)는 이에 대해 "전자는 공간의 일정 영역 안에 퍼진 채로 존재하며 그 존재 자체가 파동이다"라는 파동역학을 제안했으며, 1927년 막스 보른(Max Born, 파동함수로 1954년 노벨물리학상 수상)은 전자는 결코 분해되지 않으며, 전자의 모든 질량과 전하는 공간상의 아주 작은 영역(점에 가까움) 속에 밀집되어 있으며 이 때 파동의 정체는 공간에 퍼져 있는 전자가 아니라 바로 "공간상의 한 지점에서 주어진 파동의 크기는 그 지점에서 전자를 발견할 확률에 비례한다"는 확률파동을 세웠다. 스크린의 표면에서 확률파동의 값이 큰 곳은 전자가 도달할 확률이 크고, 확률파동 값이 작은 곳은 전자가 도달할 확률이 작다는 뜻이므로, 여러 개의 전자를 꾸준히 쏘아대면 간섭 무늬가 스크린에 나타나는 것이다.

그런데 불확정성의 원리에 의하면, 이 우주에는 정확한 값으로 동시에 존재할 수 없는 물리량들인 입자의 위치, 속도 또는 여러 개의 축에 대한 입자의 스핀 등이 존재한다. 모든 입자는 정확한 위치와 정확한 속도를 동시에 가질 수 없다. 또한 두 개 이상의 축에 대하여 정확한 스핀성분(시계방향 또는 반시계방향)을 동시에 가질 수 없다. 일반적으로 모든 입자는 불확정성의 쌍을 이루는 모든 양들을 동시에 정확한 값으로 가질 수 없다. 입자는 모호하고 불규칙한 양자적 세계에서 모든 가능성을 간직하고 있는 희한한 존재이다. 그러나 우리가 입자의 물리적 특성을 측정하면, 입자는 희한한 성질을 귀신같이 감추고 그 많은 가능성들 중에서 단 하나의 명확한 값을 우리에게 보여준다.

이 때 입자들은 입자-반입자의 쌍을 이루어 공간을 가로질러 연결되어 있다. 이와 같이 서로 연관성을 갖고 있는 한 쌍의 입자들을 '얽힌 입자(entangled particles)'라 하기도 하고 중첩(Superposition)이라고도 한다. 이 얽힌 입자들은 우리에게 측정 당했을 때 나타내는 값들은 상호 독립적이지 않고 상호 연결되어 있다는 것이다. 이들은 아무리 멀리 떨어져 있어도 결코 독자적인 행동을 하지 않는다. 이 우주는 국소적(locality)이지 않고 비국소적(non-locality)이라는 말이다.

1998년 제네바 대학의 니콜라스 기신(Nicolas Gisin)은 두 감자기 사이의 거리를 11km까지 띄워 놓고 중간에서 광자를 양쪽 방향으로 쏘면서 실험을 했는데(Tittle & Gisin et al., 1998)2), 특정 축에 대해 A의 스핀을 측정하면 멀리 떨어져 있는 광자 B도 바로 그 순간부터 A와 동일한 스핀을 갖게 된다. 한 장소에서 우리가 행한 행위의 결과는 다른 장소와 긴밀하게 연결되어 있다는 뜻이다. 물리학자들은 이 현상을 가리켜 '양자 얽힘(Quantum entanglement)"이라 부른다. 이 곳에서 행해진 측정 행위가 멀리 떨어져 있는 광자 B에게 즉각적으로 영향력을 행사하여 파동확률로 존재했던 B의 특성이 단 하나의 명확한 값인 A를 측정하여 얻은 값과 동일한 값으로 탈바꿈하는 것이다. 이런 점에서 보면 빛보다 빠른 무언가가 두 입자 사이를 오가면서 모종의 연결고리를 형성하고 있는 것 같기도 하다.

2) Tittel, W., Brendel, J., Zbinden, H. & Gisin, N., "Violation of Bell inequalities by photons more than 10 km apart", Phys. Rev. Lett. Vol. 81, No. 17, pp. 3563-3566, 1998.

3. 떨어진 두 입자를 연결하는 중재 신호(mediation signal)

이와 같은 양자 얽힘 현상에 대해, 1947년에 아인슈타인은 Max Born에게 쓴 편지에서 이를 "원격 상태에서 일어나는 유령 현상(spooky action at a distance)"이라 불렀으며 따라서 양자 역학 이론은 무언가 틀렸다고 생각한다고 적었다. 아인슈타인만이 이 즉각적인 변화 현상에 대해 혐오감을 표현(repugnance at instantaneous action at a distance)한 것만은 아니다. 이미 250년 전에 아이작 뉴톤(Isaac Newton)도 다음과 같이 썼다.

"...진공을 통하면 어떤 중재(mediation) 없이 이쪽 몸(body)의 행동이 떨어진 저쪽의 몸에 영향을 줄 수 있다는 이론은 나에게는 엄청난 불합리(absurdity)로 보인다. 철학적인 문제를 갖고 있는 어느 누구도 이와 같은 생각에 절대 동의하지 않을 것이다"라고 썼다.

뉴톤은 중력이론에 관해 썼고, 1915년 아인슈타인은 중력 현상은 즉각적(instantaneous)인 것이 아니라 공간-시간을 싸고 있는 중재 신호(mediation signal)에 의해 빛의 속도로 움직인다고 썼다. 빛이 중력이고 빛은 공간-시간에 따라 휘며 달리는데 그 이유는 바로 중재 신호라는 것이었다. 더 나아가 즉각적인 얽힘 현상은 얽힌 물체가 미지의 입자, 또는 다른 신호를 고속으로 보내 짝을 이루는 물체에 영향을 미침으로써 여러 곳에서 동시에 같은 반응을 일으키는 것과 같은 착각을 일으킨다는 가설을 제기했다.

4. 어떻게 발견했나

이번 연구를 주도한 제네바 대학의 니콜라스 기신(Nicolas Gisin)은 바로 아인슈타인의 가설인 중재 신호에 의해 전달되는 얽힌 입자 사이의 상호작용을 실험을 통해서 증빙하고, 만약 중재신호가 있다면, 그 신호가 얼마나 빨리 이동하는지를 테스트하여 증빙한 것이다. 이들 양자 얽힘 입자들은 즉각적으로 행동하고 거리에 관계없이 똑같이 행동한다.

드브로이의 물질파 이론에 근거하여 나중에 쉬레딩거(Erwin Schrodinger)는 양자역학의 근간을 이루는 파동역학 이론체계인 파동방정식을 세우게 된다. 쉬레딩거와 디락은 1933년 원자이론 체계로 노벨물리학상을 수상했다. 양자 얽힘에 대해 쉬레딩거는 아마도 알려지지 않은 과정이 매우 근접한 거리에서 일어날 것이라 제안했는데, 사실 쉬레딩거가 틀렸다. 얽힘 현상이 발견되는 거리가 점점 멀어지고 있기 때문이다. 이번 연구를 주도한 니콜라스 기신(Nicolas Gisin)은 1998년에 11km의 거리에서 이를 입증했다. 이번에는 얽힌 하나의 광자쌍(a pair of photons), 즉 빛 패킷을 쪼개 스위스콤이 제공한 광섬유 케이블(fibre-optical cables)을 통해 정확히 18㎞ 거리로 떨어져 있는 두 마을 기지국으로 보내는 실험을 했다. 그 결과 양쪽 기지국의 간섭계(interferometers)에는 광자쌍이 얽힌 상태로 동시에 도착했음을 확인했는데, 과학자들은 한 쪽을 분석함으로써 다른 한 쪽에서도 같은 현상이 일어난 것을 확인하였다.

[그림 : 스위스 스피드 트랩(Swiss speed trap). 제네바 호수를 가로질러 18km로 나뉜 두개 마을이 광섬유 케이블을 통해 양자 얽힘으로 연결되다. Salart et al.(2008)]

또한 아인슈타인조차도 "유령 현상"이라고 부를 정도로 불가해한 이른바 양자 얽힘은 광속의 최소한 1만 배로 일어날 가능성이 있으며 이는 시공간 바깥에서 일어나는 현상으로 보인다고 논문은 적고 있다. 이들은 실험을 통해 고전 물리학에 속하는 x 매개변수 즉 숨은 신호를 배제했는데, 그럼에도 불구하고 이런 x 매개변수가 빛보다 빠른 속도로 움직일 가능성은 아직도 배제되지 않은 상태다. 다시 말해 기지국들이 광자의 존재를 정확하게 포착하는데는 300조 분의 1초가 걸리는데, 이 시간 안에 숨은 신호가 한 기지국에서 다른 기지국으로 넘어가려면 x 매개변수는 최소한 광속의 1만 배가 돼야 한다는 것이 연구진의 결론이다. 이들은 24시간 동안 테스트를 했지만 매번 그 결과는 같았다. 따라서 얽힌 광자사이를 연결하는 신호가 설사 동시에 발생하지 않는다 해도 그 속도는 광속의 1만 배가 될 것이라 결론 짓고 있다.

아인슈타인은 양자 얽힘 이론에 거부감을 나타내긴 했지만 그 역시 신호가 빛보다 빠른 속도로 이동할 수는 없다는 것을 밝힌 바 있다. 이에 대해 연구진은 "빛보다 빠른 속도로 일어나는 원격 유령현상이 불가능해 보이긴 하지만 자연은 동시에 여러 곳에서 나타나는 현상을 일으킬 수 있다"면서 이런 현상은 "시공간 안에서 설명될 수 없으므로 시공간 바깥에서 일어나는 것으로 보인다"고 말했다.

5. 관련 참고

[양자 컴퓨터(Quantum Computer)란? 양자 컴퓨터의 정보 저장 방법, 양자 컴퓨터의 역사, 미국 노스웨스턴대학, 광섬유에서 작동되는 양자 로직 게이트(quantum logic gate) 개발, 양자 컴퓨터/양자 네트워크의 데모, 양자 인터넷(Quantum Internet)의 도래 앞 당겨, 2008년 4월 4일자 Physical Review Letters 지에 "Demonstration of a Quantum Controlled-NOT Gate in the Telecommunications Band(광통신 밴드에서의 제어 NOT 로직 게이트에 의한 양자 컴퓨터/양자 네트워크의 데모)"라는 논문으로 발표(Toward a Quantum Internet. A quantum logic gate in an optical fiber could lay the foundation for a quantum computer network(05/May/2008), 02466-DIG]

[부산대 정윤철 교수와 이스라엘 팀, 전자들의 양자역학적 얽힘에 의한 간섭현상만으로도 양자컴퓨터 개발 가능, 드브로이의 파동-입자의 이중성(Wave-Particle Duality), 보존과 페르미온의 양자상관 특성 관찰인 핸버리 브라운-트위스(Hanbury Brown-Twiss) 효과, 자기장 및 자속에 의한 간섭현상 조절이라는 아로노프-보옴 효과를 이용한 전자들간의 간섭현상을 나노전자에서 원하는 대로 조절 가능, 전자원에 관계없이 우주공간 내의 모든 전자는 근본적으로 같으며 보이지 않는 똑같은 물질파로 상호 연결, 2007년 7월 19일자 네이처지에 "서로 다른 전자원으로부터 방출된 구별할 수 없는 두 개의 전자사이에서의 간섭 현상 발견 및 조절에 관한 연구(Interference between two indistinguishable electrons from independent sources)"라는 논문으로 게재됐으며, "뉴스 & 뷰" 란에는 "양자역학 : 물질에서의 간섭현상(Quantum mechanics: Interference in the matter)"이라는 내용으로 집중 소개(31/Jul/2007), 02297-DIG]

[미국 미들 테네시주립대 연구팀, 빛의 이동속도(light travel) 보다 빠른 속도로 진행하는 음파(sound pulses, 소리 파동)를 전달하는 데 성공, 하나의 소리 파동을 구성하는 작은 파장 하나 하나의 속도(velocities)를 모두 합할 경우 그 군(群)속도(group velocity)가 c를 능가, 아인슈타인의 일반상대성이론(Einstein's theory of relativity)에 따라 실제로 빛 보다 빠른 음파 엔진 장착의 우주선(sound-propelled spaceships)이 조만간 나오지는 않겠지만 이번 실험 결과는 장차 전기 신호(electrical signals) 등 다른 신호의 속도를 높일 수 있는 단서를 제공, 응용물리학 학회지(Applied Physics Letters) 2007년 1월 1일자(Volume 90, Issue 1)의 014102 페이지에 "빛의 속도 보다 빠른 소리 : 음향 고리 필터내에서의 네거티브 군 속도의 측정(Sound beyond the speed of light: Measurement of negative group velocity in an acoustic loop filter)라는 논문을 발표 (Sound Pulses Exceed Speed of Light(14/Feb/2007), 02251-TRM]

[소스]

[동아일보-연합뉴스-아인슈타인 ‘유령 현상’, 광속 1만배로 발생(14/Aug/2008)]