순간이동이라는 말을 들으면, 대부분의 사람은 물리학을 공부하는 것보다 공상과학 영화를 생각한다,. 그러나 양자역학의 양자 세계에서 순간이동이란 결코 꿈이 아니다. 실제로 퀀텀의 세계에서는 텔레포트 실험이 성공했다고 보고되었다. 양자 순간이동이라고 한다. 나는 우치야마 씨에게 이 신비한 현상을 실현하는 미시 세계의 물질의 특성과 순간 이동을 가능케하는 이론을 물었다.
전자파와 양자역학
물질은 분자와 원자로 이루어져 있다는 것을 알고 있을 것이다. 원자는 작은 조각으로 나눌 수 있다. 원자들은 전자, 양성자, 중성자로 이루어져 있다. 양성자와 중성자도 쿼크로 이뤄져있다. 쿼크는 물질의 가장 작은 단위 중 하나로 간주하며, 이러한 입자는 물리학에서 기초 입자라고 불린다. 우리는 또한 전자와 광자를 우리가 가장 친숙한 입자로 열거할 수 있다. 광자는 전자 사이에서 교환되며, 전자파 전달체 역할도 한다.
미시세계를 기술하는 이러한 역학을 양자역학이라고 한다. 이와는 대조적으로 고전적인 역학, 이상한 표현이지만 굳이 양자역학을 언급할 필요가 없는 세상을 고전역학이라 기술한다.
기초입자를 포함한 전자레인지의 입자는 고전물리학으로는 설명할 수 없는 신비한 성질을 가지고 있다. 하나는 두개 이상의 주를 겹치고 있다. 언어 자체는 공통어지만 양자역학에서는 사실 어려운 개념이고, 양자역학의 경이로움은 거기에 응축된다. 더이상 말하지 말고 구체적인 예를 들어보자.
두 개의 뒤엉킨 입자
음전하와 매우 작은 질량을 가진 실체로서 전자에 대해 배우고 있는 것이다. 하지만 전자는 또한 스핀 자유라고 불리는 것을 가지고 있다. 이 스핀은 극히 양자 역학적 양이며, 고전적인 이해는 불가능하다. 스핀은 상태라는 용어로 설명된다. 실험적으로 전자스핀은 반정수의 1/2이며, 이 스핀 반을 가진 전자에는 두 개의 기본 스핀 상태가 있다. 흔히 위쪽과 아래쪽으로 부른다. 이는 오직 편의만을 위한 것이며, 기본적으로 두 개의 주에 라벨을 붙일 뿐이다.
자 요점은 이렇다. 하나의 전자는 상승 스핀과 하강스핀을 동시에 가질 수 있다. 이것은 전자의 상향회전상태와 하향회전상태의 중복된 상태라고 한다. 이것은 양자역학의 중복된 예 중의 하나이다. 관찰되기 전까지 어느 상태에 있는지 알 수 없지만, 관찰로 중첩상태에서 최종 상태로 바뀐다. 이러한 변화는 상태 수축이라고 부른다.
이러한 상태를 중첩한다는 개념은 이해할 수 없으며 사실 양자역학구축의 원동력인 슈레딩거 자신이 유명한 역설을 만들어냈다. 게다가 이 중첩의 신비는 두 입자의 중첩에 결정적이다. 양자 얽힘이라고 하는데 하나의 중첩입자가 두 쌍의 특별한 경우이다. 예를 들어 입자 A와 B의 스핀 방향이 짝을 이루면 A가 위를 향하고 B가 아래를 향한다고 볼 수 있다. 이런 경우 한 입자가 그 상태를 관찰하면 다른 입자의 상태는 그것을 관찰할 필요가 없이 결정된다. A가 다운된 것으로 관찰되면 B는 업으로 결정된다. 이것은 상태의 수축 때문에 즉각적으로 일어난다.
얽힌 관계의 두 입자는 아무리 멀리 떨어져 있어도 이 속성을 나타낸다. 그리고 이런 일이 순식간에 일어나기 때문에, 그 둘 사이에 어떤 작용을 전송할 수 있는 입자가 있다는 것을 의미하지는 않는다. 아무리 광년 떨어져 있어도 한순간에 이동하므로 어떤 입자가 매게 되면 빛의 속도를 넘어서는 것이며, 현재의 이론으로는 설명할 수 없다. 양자 얽힘에 의해 입자 사이의 원거리 상관관계를 예측하는 양자역할의 품질을 양자역학 비지역설이라고 한다.
천재의 세계는 상상을 초월한다.
양자얽힘의 비지역설은 현재 실험으로 확인되고 있으며, 그 개념의 기초가 되는 생각은 양자역학을 부정할 목적으로 만들어진 사고 실험에서 비롯되었기 때문에 아이러니 하다. 사고실험은 애초에 PER 역설이라고 불렸다. 이 PER는 사고 실험을 주장했던 아인슈타인, 포돌스키, 로진 등 세 사람의 첫 머리 글자어에서 따왔다.
그들은 원래 PER 역설은 이 글에서 설명한 스핀 오락과는 약간 다른 사고 실험의 역설이지만 본질에서는 같다. 아인슈타인은 얽힌 관계에 있는 두개의 입자를 용서하지 못했을 수도 있는데, 만일 럭힘에 의한 비 국부적 상관관계가 정말로 존재한다면 그것들은 빛의 속도를 넘어 상호작용을 하므로 인과관계를 깨뜨리고 자신의 상대성 관계에 모순되는 것이다.
아인슈타인은 자연사건은 본질적으로 확률적이라는 약자역학의 근본사상에 대해 강한 의구심을 갖고 신은 주사위를 흔들지 않는다고 말하며 양자역학을 계속 부장했다고 한다. 상대성 이론 등 양자론에서 많은 일을 한 천재 물리학자들도 가끔 실수를 한다. 양자역학이 기술하는 세계는 우리의 일상적인 감각으로는 너무나 이해하기 어렵다고도 할 수 있다.
의미있는 정보를 보내려면
입자의 상태에 관한 이 정보는 빛의 속도를 넘어, 아무리 멀리 떨어져 있어도 한순간에 전송될 수 있다. 그러나 이 양자얽힘 만으로는 먼 곳에 있는 당사자들에게 의미 있는 정보를 보낼 수 없다.
이제 앨리스와 밥은 엔터테인먼트 관계에서 한 번에 한 사람씩 두 개의 입자를 가지고 있고, 앨리스와 밥은 달과 화성으로 여행한다. 그리고 그들이 목적지에 도착하면, 그들은 그들 자신의 입자상태를 관찰할 것을 약속한다. 앨리스가 지금 자기 자신의 입자를 보고 스판다운의 결과를 얻었다고 하자. 그 순간 밥의 입자 상태는 순간적으로 스핀업으로 알려졌다. 그러나 이 결과에는 두가지 가능성이 있다. 하나는 앨리스가 자기 자신의 입자를 관찰하여 스핀다운 상태를 얻기 위해 더 일찍 달에 도착했다는 것이었다. 또 하나는 밥이 자신의 입자를 관찰하고 스핀업 상태를 얻기 위해 먼저 화성에 도착했기 때문에 앨리스의 입자스핀은 이미 아래로 내려가는 상태에 있었다. 예를 들어 이 두가지 가능성 중 어떤 것이 발생했는지 알기 위해서는 앨리스는 고전적인 의사소통 수단으로 밥에게 연락해야 한다. 보다시피 고전적인 의사 소통이 이 문제를 해결하는 열쇠다. 양자 얽힘 만으로는 의미있는 정보를 전달할 수 없다는 얘기이다.
그래서 우리가 생각해낸 것은 양자 순간이동이라는 아이디어다. 양자 상태를 전달하기 위해 세 개의 입자를 사용하는 것이다. 유명한 베넷 양자 텔레포테이션에 대해 이야기 하자면 다음과 같다. 앨리스와 밥은 각각 얽히고 설킨 관계에서 두 개의 입자를 가지고 있다. 앨리스는 다과 화성에서 분리된 후 세번째 입자와 자신의 순간 이동하고자 하는 자신의 입자로 얽힌 측정이라는 측정을 수행한다. 이것은 마치 두 입자의 얽힘을 끊고 새로운 입자와 얽히게 하는 것과 같다. 이때 입자가 취할 수 있는 샅래노느 네가지 상태 중 어느 하나라도 얽힘 측정 결과에 해당한다. 여기서 밥의 입자가 특별한 경우를 제외하고는 이 단계에서 텔레포트 하고자 하는 입자와 반드시 같은 것은 아니라는 점에 유의해야 한다. 즉 양자 얽힘은 텔레포트를 완성하게 하기에 충분하지 않다. 그래서 우리에게 필요한 것은 고전적인 의사소통이다. 앨리스는 정상적인 의사소통을 통해 밥에게 자신의 치수를 알려주고, 밥은 그의 입자 상태를 100% 새로운 입자 상태로 전환할 수 있다. 이렇게 하면 고전적인 통신 방법으로 양자 텔레포테이션이 완성된다.