[너무 쉬운 과학] 양자 얽힘(entanglement)이란 무엇인가요?

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양자 역학에서는 양자 얽힘이라는 신기한(?) 현상이 있습니다.

서로 상호작용했던 양자 상태 물체는 아무리 멀리 떨어져 있다고 해도
한 쪽의 상태가 변하면,
"즉시" 다른 한 쪽이 반응한다는 것입니다.

이런 현상을 양자 얽힘이라고 합니다.

핵심은 그 변화가 “즉시” 일어난다는 것입니다.

빛의 속도보다도 빨리 반응 합니다.

양자 얽힘이란?

아일랜드 출신의 물리학자 존 스튜어트 벨은 약 50년 전 양자 얽힘이라는 우리의 상식과
크게 어긋하는 양자 역학의 가장 기이한 특징에 관한 짧은 논문 한편을 발표하였습니다.

얽힘(entanglement)이란
과거에 서로 상호작용했던 전자와 같은 작은 입자들이 서로 멀리 떨어진 뒤에도
어떤 특별한 관계를 유지하는 것을 의미합니다.

예를 들어, 서로 얽혀 있었던 양자들이 하나의 입자에 대한 위치나 운동량, 회전(스핀)과 같은 특성을 측정했을 때,
아무리 멀리 떨어져 있어도 다른 한 입자의 해당 특성이 “즉시” 바뀝니다.

두 입자의 거리가 은하만큼 멀리 있어도 한 입자를 측정하는 순간 빛보다 빨리 "즉시" 다른 입자도 변화합니다.

이 얽힘 현상은 물리학의 다른 이론과 전혀 맞지 않습니다.

아인슈타인은 이런 비상식적인 결론을 매우 싫어했습니다.

벨은 자신의 논문에서 양자 이론에는 얽힘이 있어야 함은
양자이론의 필연적인 결과임을 보였습니다.

벨은 양자 역학 연구를 하는 과정에서 수학적으로 결과를 알아낸 것으로
자연에서 실제로 그렇게 행동할지는 알지 못했습니다.

정말 양자얽힘이 현실에 존재하는 것일까요?

답은 존재하며, 사실입니다.

이 현상을 활용하여 송신자와 수신자 외에는
해석이 불가능해 해킹할 수 없는 ‘꿈의 통신 기술’이 개발되고 있습니다.

중국, 양자 통신 개발하다

중국이 미국보다 더 빨르게 양자 통신 기술을 개발하고 있습니다.

2017년 6월 중국은 양자통신 실험위성 ‘무쯔’(墨子, 묵자)호를 이용해 칭하이 더링하 기지와
1,200㎞ 떨어진 윈난 리장 기지에 양자 얽힘 상태의 광자(빛 알갱이)를 전송하는 데 성공했습니다.

또한 2018년 1월에는 베이징서 7,600㎞ 떨어진 비엔나까지 무선 양자통신 성공했습니다.

중국이 이론적으로 존재하던 양자 얽힘을 실제로 있음을 실험으로 증명하였습니다.

양자 얽힘의 활용

양저 얽힘은 양자통신에서 활용 가능한 최첨단 기술입니다.

양자통신은 에너지의 최소 단위인 단일 광자, 즉 양자의 물리적인 특성을
활용해 정보를 암호화해 전달하는 방식입니다.

양자암호는 무작위 난수로 생성되고 한 번 읽을 수 없어 이를 알고 있는
송신자와 수신자 외에는 암호화된 정보를 읽을 수 없습니다.

도청 시도가 있어도 양자 상태가 흐트러져 정보를 읽을 수 없게 됩니다.

이런 특징으로 양자통신은 복제나 감청이 원천적으로 불가능한 차세대 통신 기술, 국방·안보 핵심기술이 될 것입니다.