양자역학이 만들어내는 불가사의한 세계
양자역학이 만들어내는 불가사의한 세계
-양자 텔레포테이션(순간이동)-
텔레포테이션(순간이동)이라는 말을 들으면 물리학 연구보다도 SF영화를 생각해내는 사람이 많을 것이다. 그러나 양자역학이 기술하는 양자의 세계에서는 텔레포테이션(순간이동)도 결코 꿈 이야기만은 아니다. 실제로 양자의 세계에서는 텔레포테이션(순간이동) 실험이 성공했다는 보고가 있다. 소위 양자 텔레포테이션(순간이동)이라 일컬어지는 것이다. 이 불가사의한 현상을 실현하는 미크로 세계에 있어서의 물질의 성질이란 텔레포테이션(순간이동)을 가능하게 하는 이론에 대하여 물어보기로 한다.
===*순간이동 (瞬間移動/teleportation)
순간이동은 순식간에 어느 공간에 이동하는 과학적 기술로, 대개 아주 멀리 있는 곳으로 이동할 때 쓰인다. 주로 게임이나 판타지 소설, SF 영화에 많이 등장한다. 위키백과===
미크로 세계와 양자역학
여러분은 물질이 분자. 원자로 되어 있다는 것은 알고 있다. 그 원자는 다시 작게 나눌 수가 있다. 원자는 전자. 양자. 중성자로 되어 있다. 양자와 중성자는 다시 쿼크(quark)라는 입자로 되어 있다. 쿼크는 물질의 최소 단위의 하나로 생각되고 있는데 이러한 입자를 물리학에서는 소립자(素粒子)라고 한다. 달리 우리에게 매우 익숙한 소립자로서 전자와 광자를 들 수가 있다. 광자는 전자와 전자와의 사이에서 교환되어 전자력(電磁力)의 담당자가 된다.
이러한 미크로 세계를 기술하는 역학을 양자역학이라 부르고 있다. 이에 대비되는 것으로 고전역학이 있다. 이상한 호칭인데 모처럼 양자역학을 내놓지 않아도 되는 세계를 기술하는 것이 고전역학이다.
소립자를 비롯하여 미크로 세계의 입자는 고전물리학에서는 설명하지 못하는 불가사의한 성질을 가지고 있다. 그 하나가 둘 이상의 상태가 겹치는 것이다. 이제 ‘상태’라고 했다. 말 자체는 보통 말이지만 양자역학에서는 실은 어려운 개념이어서 거기에 양자역학의 불가사의함이 응축하고 있다. 여기서는 더 깊이 들어가지 않고 구체적인 예로 이야기 하고자 한다.
===*쿼크 (quark)
쿼크는 경입자와 더불어 물질을 이루는 가장 근본적인 입자다. 경입자가 아닌, 색전하를 띤 기본 페르미 입자이다. 중입자와 중간자를 이룬다. 위키백과
쿼크란(quark) 소립자의 그룹의 하나로 레프톤과 함께 물질의 기본적인 구성요소이고 쿼크는 하드론을 구성한다..===
===*레프톤 (lepton) =소립자 그룹의 하나이고 쿼크과 함께 물질의 기본적인 구성요소이다. 경립자라고도 한다. ===
뒤얽힌 2개의 입자(양자역학의 비국소성)
전자(電子)는 부(負)의 전하(電荷)와 극히 작은 질량을 가진 실체라고 배워왔다. 그러나 전자는 달리 스핀(Spin/각운동량) 자유도라는 것을 가지고 있다. 이 스핀이야말로 극히 양자역학적인 양이고 고전적인 이해가 성립되지 않는 것이다. 스핀은 상태라는 말을 써서 기술하고 있다. 전자의 스핀은 반정수(半整數)의 1/2이라는 것이 실험적으로 알고 있어서 이 스핀 1/2를 가진 전자의 기본적인 <스핀상태>는 2개 있고, 종종 <상향>과 <하향>이라는 말로 나타내는데 요컨대 2개의 상태에 라벨을 붙인 것일 뿐이다.
===*스핀 (Spin/각운동량/角運動量)
스핀은 양자역학에서 입자의 운동과 무관한 고유 각운동량이다. 예를 들어, 전자는 스핀 양자수 1/2, 광자는 스핀 양자수 1 을 갖는다. 어원과는 달리, 실제로 입자는 어떤 축을 중심으로 고전적으로 회전하지 않는다. 위키백과===
그러면 이제부터가 이야기의 핵심이다. 실은 하나의 전자는 동시에 이 <상향 스핀>과 <하향 스핀>의 양방의 상태를 가질 수 있다. 이것을 전자가 <상향 스핀 상태>와 <하향 스핀 상태>가 겹쳐 합해진 상태에 있다고 한다. 이것이 양자역학이 말하는 겹쳐 합침의 일예이다.
관측하기까지는 어느 쪽의 상태에 있는지 모르는데 관측함으로써 겹쳐 합친 상태에서 어느 쪽의 확정한 상태에로 변한다. 이 변화를 <상태의 수축(收縮)>이라 한다.
이 상태의 겹쳐 합침이라는 개념은 이해하기 어려운 것으로 실제 양자역학 건설의 주역이었던 슈레딩거 자신에 의한 <슈레딩거의 고양이>라는 유명한 패러독스를 낳을 정도였다. 다시 이 겹쳐 합침이 참 불가사의함은 2개의 입자의 겹쳐 합침에서 결정적이 된다. 그것이 양자 얽힘(양자 엔탕글멘트 (Entanglement)이라는 상태이다.
===*양자 얽힘 (양자 엔탕글멘트)
양자역학에서, 양자 얽힘 또는 간단히 얽힘은 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비고전적인 상관관계이다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다. 예를 들어, 두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 하자. 위키백과===
이것은 앞에서의 1입자의 겹쳐 합침이 2 페어가 된 상태의 특별한 경우이다. 예를 들면 페어가 된 입자 A와 입자 B의 각각의 스핀의 방향이 <A가 상향, B가 하향>과 <A가 하향, B가 상향>과의 겹쳐 합침 상태를 형성하고 있는 경우이다. 이런 경우 한 쪽의 입자를 관측하여 그 상태를 알면 또 한 쪽의 입자의 상태는 관측하지 않아도 결정되는 것이다. 예를 들면 A가 하향이라고 관측되면 그 순간 B는 상향 상태로 결정된다. 이것은 상태의 순간수축에 의하여 순시에 일어난다.
양자의 겹쳐 합침(엔탕글멘트)의 관계에 있는 2개의 입자는 어떻게 떨어져 있어도 이 성질을 나타낸다. 그런데 이것은 일순에 일어나기 때문에 2개의 입자 사이에 무엇인가 작용을 전달하는 것 같은 입자가 있다고 하는 것도 아니다.
몇 광년 떨어져 있어도 일순에 전해지므로 혹시 어떤 입자가 매개하고 있다면 그 입자는 광속을 넘고 있는 것이어서 현재의 이론으로는 설명이 되지 않는다. 이 양자 얽힘(엔탕글멘트)에 의한 입자간의 멀리 떨어진 상관을 예언하는 양자역학의 성질을 <양자역학의 비국소성(非局所性)>이라 한다.
천재를 곤혹스럽게 한 상상을 초월한 세계
양자의 얽힘에 의한 양자역학의 비국소성은 지금이라도 실험에 의하여 그 바르다는 것이 확인되고 있는데 그 개념의 기초가 된 아이디어는 양자역학을 부정할 목적으로 생각해낸 사고실험이 발단이라고 하므로 아이러니이다.
그 사고실험은 당초 <EPR 패러독스>라 불리었다. EPR은 이 사고실험을 제창한 아인슈타인
（Einstein）, 포돌스키（Podolsky）, 로센（Rosen）의 3명의 머리글자를 취하여 붙인 것이다.그들의 오리지날 EPR 패러독스는 이 원고에서 말한 스핀 양자의 얽힘(엔탕글멘트)하고는 조금 다른 사고실험과 관계하는 패러독스인데 본질적인 것은 같다. 아인슈타인은 양자의 얽힘(엔탕글멘트)에 의한 비국소상관이 참이라면 양자의 얽힘(엔탕글멘트)의 관계에 있는 2개의 입자가 광속도를 초월한 상호작용을 가지는 것이 되어 인과율이 깨지고 또 그자신의 상대론과도 모순되므로 허용할 수 없었던 것일는지 모른다.
아인슈타인은 <자연의 사상은 본질적으로 확률적이다.>라고 주장하는 양자역학의 기본적인 사고방식에 대하여 강한 의문을 가지고 <신은 주사위를 놀지 않는다.>고 양자역학을 계속 부정했다고 한다.
상대론을 비롯하여 양자론에도 많은 업적을 남긴 천재물리학자라도 틀리는 수가 있다. 양자역학이 그리는 세계란 그다지 우리들의 일상 감각에서는 이해하기 어려운 것이라고 말할 수도 있다.
의미 있는 정보를 보내려면
이처럼 입자의 상태라는 정보는 아무리 멀리 떨어져 있어도 광속을 초월하여 일순에 전할 수 있다. 그런데 이 양자 얽힘만으로 의미 있는 정보를 멀리 떨어진 상대에게 보내기는 아무리 해도 안 된다.
지금 아리스와 포프가 얽힘의 관계에 있는 2개의 입자를 하나씩 가지고 있어서 아리스가 달에 포프가 화성에 여행한다고 하자. 다시 2사람은 목적지에 도착하면 자신이 가지고 있는 입자의 상태를 관측할 것으로 약속되어 있다고 하자. 지금 아리스가 자신이 가지고 있는 입자 A의 상태를 관측하여 스핀 하향이라는 결과를 얻었다고 한다. 그 순간 포프가 가지고 있는 입자 B의 상태는 순시로 스핀 상향이라고 알 수 있다. 그런데 이 결과에는 2개의 가능성이 생각된다.
1은 아리스가 먼저 달에 도착하여 자신의 입자A를 관측하여 스핀 하향 상태를 얻었다. 또 1은 포프가 먼저 화성에 도착하여 자신의 입자B를 관측하여 스핀 상향 상태를 얻었으므로 이미 아리스의 입자A의 스핀이 하향 상태가 되어 있다.
이 2개의 가능성의 어느 쪽이 일어났는지를 알려면 예를 들면 아리스는 포프에게 고전적인 통신수단(현재의 통신수단)으로 연락을 취할 필요가 있다. 이처럼 이 문제를 해결하는 열쇠는 고전통신에 있는 것이 된다. 곧 양자 얽힘만으로는 의미 있는 정보를 전달할 수는 없다.
그래서 생각해낸 것이 3개의 입자를 써서 양자상태를 보내는 <양자 텔레포테이션/순간이동>이라는 아이디어이다.
여기서는 유명한 베네트(Charles Henry Bennett, 1943년 - 미국 물리학자, 계산기과학자)의 양자 텔레포테이션 이야기를 하자.
먼저 아리스와 포프가 양자 얽힘 관계에 있는 2개의 입자A와 B를 하나씩 가진다. 그래서 달과 화성으로 갈라져서 아리스는 텔레포트(Teleport/순간이동 기지）하고 싶은 제3의 입자 X와 자신의 입자A로써 양자 얽힘 측정이라는 측정을 행한다. 이 때 입자B는 어떤 상태를 얻을 수 있는가 하면 양자 얽힘 측정의 4개의 측정 결과에 대응하여 역시 4개의 상태 중 어느 것을 취한다. 여기서 중요한 것은 이 단계에서는 포프의 입자B의 상태는 특별한 경우를 제외하여 반드시 텔레포트하고 싶은 입자 X와 같은 상태로 되어 있지 않다는 것이다. 곧 양자 얽힘만으로는 순간이동은 완성되지 않는다는 것이다. 그래서 필요하게 되는 것은 고전통신이다. 아리스가 통상의 통신수단으로 자신의 측정결과를 포프에게 알려줌으로써 포프는 자신의 입자 B의 상태를 100% 입자X의 상태로 변환할 수가 있다. 이리하여 고전통신의 도움을 얻어서 양자 얽힘이 완성된다.
===* 텔레포트（Teleport）=순간이동을 의미하는 말. 텔레포테이션이라고도 한다. 고도의 정보통신기지나 그것을 가진 도시를 의미한다. 위키페디아.===
양자 텔레포테이션의 실용과 응용
양자 텔레포테이션(순간이동)이 1개의 입자의 양자상태만이 아니라 더 큰 물질에서도 실현된다고 하면 인류가 지금까지 발명해 온 수송 방법으로서 일대 변혁이 될 것이다. 그러나 현재로서 텔레포테이션(순간이동)의 성공 예로서 보고되고 있는 가장 큰 물질은 원자이다. 그렇지만 여기서 <큰 물질>이라고 말하는 것도 양자역학이 다루는 대상으로서 크다는 의미이고 실제로는 STM현미경(주사형/走査型) 터널현미경) 같은 것을 사용하지 않으면 볼 수 없는 정도의 크기이다.
양자 텔레포테이션(순간이동)은 물질을 운반하는 장치보다도 정보통신처리에 역할을 한다. 그 하나가 양자 컴퓨터이다. 실용화에는 기술적인 난문이 아직 많이 남아있지만 양자 컴퓨터의 양자 레지스터(register/주변기기)상에 소위 양자 텔레포터(teleporter/초능력자) 같은 것을 많이 구축할 수가 있다면 양자 컴퓨터의 성능을 일층 비약시킬 수 있을는지 모른다.
가능성의 수만큼 세계가 존재하는 다세계해석
상태의 겹쳐 합침을 전제로 하는 양자역학에서는 이 <겹쳐 합침>이라는 것은 원래 무엇인가 하는 것이 자주 의론의 대상이 된다. 이 의론은 <양자역학의 해석 문제>라고 말하고 있다.
양자역학이 등장하기까지 실재는 인간의 관측과는 관계가 없이 객관적인 것이라고 생각되었었다. 그러나 양자 상태의 겹쳐 합침은 관측에 의하여 어떤 상태로 수축한다. 그러면 실재는 객관적인 것이 아닌가.
현재 정통이라고 하는 양자역학의 해석은 <코펜하겐해석>이라 불리어 많은 물리학자는 그 근본적인 의미는 어떻든 탁상에 올려놓고 양자역학을 써서 일을 하고 있다.그에 대하여 몇 개의 해석이 제창되고 있다. 그 하나 <다세계해석>을 간단히 소개한다. 다세계해석에서는 겹쳐 합침의 수만큼 세계가 분기하여 병행세계가 존재한다고 한다. 관측에 의하여 상태가 하나로 수축하는 것이 아니라 관측에 따라서 2개의 병행세계가 출현하는 것이다. 관측자 자체가 관측에 따라 분기하고 어느 쪽 한 쪽의 세계만 알 수 있기 때문에 하나로 수축한 것처럼 생각된다는 것이 이 해석의 주장이다. 실용적인 양자컴퓨터가 실현된다면 이 다세계해석이 실증되게 된다는 <해석>도 있다. 실은 그 목적으로 양자컴퓨터가 생각되었다는 말도 있다.
출처=www.kyoto-su.ac.jp › project
* 필자=도야마 마사후미(外山政文)
교토산업대학 컴퓨터이공학부 컴퓨터사이엔스 학과 교수, 양자전자공학 연구, 양자역학의 원리와 직결하는 정보통신에로의 가능성을 느끼고 있다.