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알버트 아인슈타인과 해커들에게는 슬픈 소식이 아닐 수 없습니다. 아인슈타인이 그렇게 싫어했던, 양자역학의 한 결과인 “입자들의 기묘한 원거리 작용”이 더 엄밀한 정확성으로 확인되었습니다.

네덜란드에서 행해진 이 실험은 표준 양자역학에 대한 더 확실한 증거가 될 수 있다고 어떤 물리학자들은 이야기합니다. 또한 더 안전한 양자 암호장치를 만들 수도 있습니다.

제네바대학의 니콜라스 지생은 “근본적인 관점에서 이는 진정 역사적인 실험입니다”라고 말했습니다.

아인슈타인의 불만

양자역학은 어떤 물체가 동시에 서로 다른 상태에 있는 것을 허용합니다. 곧 한 원자가 서로 다른 장소에 있거나 다른 스핀 방향을 가지고 있을 수 있습니다. 그러나 우리가 그 원자의 장소 또는 스핀의 방향을 측정하는 순간, 그 원자는 하나의 상태로 붕괴하게 됩니다. 또한 서로 다른 입자들의 상태가 서로 얽혀(entangled)있을 수 있으며 이는 한 입자가 측정되었을 때 다른 입자의 상태 또한 바뀌는 것을 의미합니다.

아인슈타인은 이 얽힌 입자들 사이의 상호작용이 두 입자가 아주 멀리 떨어졌을 때에도 순간적으로 일어나는 것처럼 보이며, 이는 어떤 것도 빛보다 빠를 수 없다는 원칙을 위배한다는 사실에 괴로워했습니다. 그는 이를 피하기 위해 두 입자들이 측정되기 전에 이미 어떤 특성을 가지고 있을 것이라고 가정했고 그 특성을 “숨은 변수(hidden variable)”라고 불렀습니다. 이를 통해 그는 무언가가 전달되는 것이 아니라 그 숨은 변수에 의해 두 입자 사이에 특별한 상관관계가 나타나는 것이라고 생각했습니다.

1960년, 아일랜드의 물리학자 존 벨은 아인슈타인의 숨은 변수 이론과 양자역학의 원거리작용을 구별할 수 있는 실험을 제안했습니다. 그는 숨은 변수 이론으로 설명할 수 있는 상관관계의 한계를 계산했고, 만약 실험 결과가 그보다 더 큰 값을 보인다면 이는 아인슈타인이 틀렸음을 말하는 것임을 보였습니다.

첫 번째 벨 실험은 1981년 프랑스의 한 연구소에서 이루어졌고, 그 후로 많은 실험들이 이루어졌습니다. 그리고 결과는 항상 양자역학의 편이었습니다. 그러나 각각의 실험들은 또한 각각의 어떤 문제점을 가지고 있었기 때문에 아인슈타인의 숨은 변수 이론은 꾸준히 살아남았습니다. 예를 들어 얽힌 광자를 이용하는 실험에서는 ‘측정 문제’가 있었습니다. 곧, 실험에서 만들어진 광자들은 모두 측정되는 것이 아니며 때로 80%에 이르는 광자들은 그저 사라집니다. 따라서 실험자들은 그저 측정된 광자들만으로 실험에서 만들어진 광자 집단의 성질을 추정해야 했습니다.

이 문제를 피하기위해 물리학자들은 보다 잃어버리지 않기 쉬운 입자, 곧 원자를 사용하기도 했습니다. 그러나 원자들의 경우 두 원자의 얽힘 상태를 깨뜨리지 않으면서 이를 멀리 이동시키는 것은 매우 힘든 일이었습니다. 이는 “통신 문제”, 곧 얽힌 원자들을 충분히 멀리 떨어뜨리지 못할 경우, 한 원자에 가해지는 측정이 다른 원자에게 일으키는 변화가 빛 보다 빠르다는 것을 보이기 힘든 문제를 만들었습니다.

얽힘 교환(Entanglement swapping)

지난 8월 24일 물리학자들이 논문을 제출하는 웹사이트 아카이브에는 이 ‘측정 문제’와 ‘통신 문제’를 모두 해결한 첫번째 벨 실험 결과가 올라왔습니다. 이들은 빛과 물질의 장점을 모두 이용할 수 있는 얽힘 교환 이라는 기술을 사용했습니다. 이들은 먼저 1.3km 떨어진 두 연구실에 각각 다이아몬드 결정을 준비했습니다. 이 결정 내부에는 각각 전자가 있었고 두 전자는 얽히지 않은 상태였습니다. 그 후, 제 3의 장소에서 얽힌 두 광자를 만들어 각각의 연구실로 보내 각 광자가 두 전자와 각각 얽히게 만들었습니다. 이를 통해 이제 두 전자는 서로 얽힌 상태가 되었습니다.

이들은 9일 동안 총 245쌍의 얽힌 전자쌍을 만들었고 이를 통해 벨의 실험을 진행했습니다. 그리고 그 결과는 역시 양자역학의 편이었습니다. 또한 이들의 실험은 측정이 쉬운 전자를 사용했기 때문에 ‘측정 문제’를 피했고, 충분히 멀리 떨어졌기 때문에 ‘통신 문제’역시 피했습니다.

비엔나 양자과학기술연구소의 물리학자 안톤 자일리거는 “정말 놀랍고 아름다운 실험입니다”라고 말합니다.

“나는 이들 중 한 명이 몇 년 뒤 다른 더 오래된 실험의 연구자들과 함께 노벨상을 받는다해도 놀라지 않을 겁니다.” 워털루 페리메터 이론물리 연구소의 매튜 라이퍼의 말입니다. “그 정도로 대단한 일이에요.”

이번 실험은 양자 암호학에 있어서도 중요한 의미를 가지고 있습니다. 이미 양자 암호를 이용해 도청이 불가능한 통신장치를 파는 회사들이 있습니다. 이 장치는 두 얽힌 광자를 만들어 각각을 양측에 보냅니다. 양측은 이 얽힌 광자를 이용해 서로만 확인할 수 있는 암호키를 만들게 됩니다. 만약 누군가가 이 광자를 중간에서 엿본다면, 양자역학의 특성상 사용자들은 누군가가 이를 엿보았다는 사실을 알게 됩니다.

마지막 문제

그러나 이 ‘측정 문제’는 정교한 도청 시도의 여지를 남겼습니다. 또한 회사 역시 사용자에게는 양자암호로 보이지만, 실은 도청이 가능한 장치를 팔 수 있었습니다. 1991년 물리학자 아서 에커트는 벨의 실험이 양자 암호와 밀접한 관계가 있다는 것을 보였습니다. 그러나 이를 위해서는 벨의 실험에 어떤 ‘문제’도 존재하지 않아야 했습니다. 자일링거는 이번 실험이 “양자 암호가 완벽하게 안전하다는 최종 증거”라고 말합니다.

그러나 얽힘 교환을 실용화하는 것은 쉽지 않은 문제입니다. 제네바에서 양자 암호장치를 만드는 회사 ID 콴티크를 공동 창업한 지생은 실제 암호키를 만들기 위해서는 1분에 수천비트를 만들어야 하는 반면, 이번 실험에서 연구진이 수백 쌍을 만들기 위해서는 1주일 이상이 걸렸다는 점을 지적했습니다.

자일링거는 또한 다소 철학적인 문제이긴 하지만, 벨 자신이 먼저 지적했던 마지막 문제가 남아있다고 말했습니다. 이는 숨은 변수가 실험자의 측정 대상 선택에 영향을 미칠 가능성입니다. 이는 “자유의지 문제”로 불립니다.

라이퍼는 그러나 이 문제를 크게 신경쓰지 않습니다. “모든 선택이 빅뱅의 순간 이미 결정되어 있었다는 초결정론이 있습니다. 이는 누구도 증명하거나 반증할 수 없는 이론입니다. 따라서 대부분의 물리학자들은 이를 신경쓰지 않는다고 말할 수 있습니다.”

(네이처)

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