양자 얽힘은 우주에서 가장 이상한 개념입니다. 빛조차도 그들 사이에 측정 가능한 연결이 없는 채로 두 개 이상의 물체가 서로에게 의존할 수 있는 능력입니다.
그러나 마법적이고 유사 과학적인 힘도 아닙니다. 양자 얽힘이 실제로 어떻게 작동하는지 여기 있으니, 직접 판단해 보세요.
정의
양자 얽힘은 두 양자 측정 사이의 의존성입니다.
참고: 둘 사이에는 빛조차도 흐르지 않습니다.
직접 시도해 보세요
아래는 Alice와 Bob이 공유하는 두 얽힌 큐비트의 데모입니다. 그들의 큐비트를 “측정”해 패턴을 찾아 보세요!
No measurements yet.
No measurements yet.
Whichever basis you measure in, Alice and Bob always come out opposite.
무엇을 발견했나요? 두 가지 시사점:
1. 두 큐비트에서 같은 방향으로 측정하면 항상 반대 방향을 향합니다. Bob의 큐비트가 Alice가 얻은 것을 어떻게 알고, 그 반대도 마찬가지일까요? 그것이 으스스한 점입니다. 실제 얽힌 큐비트가 큰 거리로 분리되어 즉시 측정되어도 안다는 것을 증명할 수 있습니다. 이 연결은 빛보다 빠르며, 이는 불가능해야 합니다.
2. 얽힌 큐비트가 측정되면 더 이상 얽혀 있지 않습니다. 큐비트는 단지 결정적으로 같은 답을 계속해서 돌려줍니다. 따라서 양자 얽힘을 소모성 자원으로 볼 수 있습니다 — 측정으로 소모되면 사라집니다.
실생활에서 양자 얽힘을 어떻게 만드는가?
짧은 답: 두 큐비트를 가까이 가져옵니다.
많은 종류의 큐비트는 가까이 가져오면 자연스럽게 얽힙니다. 예를 들어 헬륨의 두 전자처럼 같은 오비탈의 두 전자를 봅시다. 이들은 자연스럽게 얽혀 있습니다.
또 다른 예: 중성 원자 양자 컴퓨터의 전자 스핀. 그 전자를 보유한 원자를 가까이 조작한 후 특수 레이저로 쏴서 얽히게 합니다. 이는 리드베리 상호작용이라는 상호작용을 트리거하여 둘을 얽히게 합니다.
“위”가 무엇인지 누가 결정하는가?
여기 핵심이 있습니다. 우주에는 절대적인 “위”가 없습니다. 여러분의 위는 호주의 위와 다릅니다. 그래서 두 원자가 항상 반대 방향을 향한다고 말할 때: 어떤 축을 따라 반대일까요?
답이 이 모든 것에서 가장 이상한 부분입니다. 알고 보니: 측정 장치가 무엇이 위로 간주되는지 결정합니다.
원자의 스핀을 측정할 때 그것의 방향을 읽어낼 수는 없습니다. 스핀은 공간의 어디든 가리킬 수 있지만 한 가지 질문만 할 수 있습니다: 이 축에 정렬되어 있는가, 아니면 반대인가? 축은 여러분이 선택합니다. 답은 “위” 또는 “아래”로 돌아옵니다. 그것이 엄격한 한계이며, 우리가 만든 어떤 측정도 그것을 피할 수 없습니다. 양자역학에 따르면 그게 가능해서도 안 됩니다. (누가 알겠습니까. 어쩌면 여러분이 방법을 찾을지도.)
“그냥 미리 정해진 것 아닌가요?”
이렇게 말할 수도 있습니다: 어쩌면 방향은 측정할 때가 아니라 원자를 가져왔을 때 그냥 설정된 것이 아닐까요? 어쩌면 한 원자는 항상 위로 가게 되어 있었고, 다른 원자는 항상 아래로 가게 되어 있었을지도. 어쩌면 측정할 때 단지 발견하는 것뿐이고, 미친 일이 일어나는 것은 없을지도.
그것이 명백한 결론처럼 보입니다. 그러나 틀렸으며, 그 이유는 다음과 같습니다.
어떻게든, 큐비트를 측정한 후 다른 큐비트는 즉시 여러분이 측정한 축에 스냅합니다. 위/아래로 측정했다면 다른 것은 위 또는 아래로 스냅합니다. 옆에서 옆으로 측정해도 마찬가지입니다. 여러분의 의도가 어떻게든 다른 큐비트에 전달됩니다.
실제로 이를 증명한 실험은 2022년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 아래 섹션에서 그 일부를 볼 수 있지만, 실험 자체를 이해하고 싶다면 CHSH 부등식에 대한 다음 가이드로 가세요.
그렇긴 하지만: 이 방법으로 실제로 정보를 보내는 것은 불가능합니다. 큐비트가 어느 방향으로 갈지(위 또는 아래) 결정할 수 없기 때문입니다. 그것은 순수히 무작위입니다.
빛보다 빠르게
두 원자 사이에서 빛이 이동할 수 있는 것보다 훨씬 빠르게 이런 일이 일어나는 것을 측정할 수 있습니다.
2012년 Anton Zeilinger의 그룹은 카나리아 제도의 두 곳 — 라 팔마와 테네리페 사이에서 정확히 이런 종류의 실험을 했으며, 143 km(약 89마일) 떨어져 있었습니다. 그들은 (이 목적으로 원자 스핀과 같은 방식으로 행동하는) 광자 쌍을 얽히게 하고, 그 간격으로 보내고, 양 끝에서 측정했습니다.
그들의 시계는 약 3 나노초로 동기화되었습니다. 빛은 그 여행을 하는 데 약 477,000 나노초가 걸립니다. 광자 사이의 상관관계는 그들 사이의 빛 속도 신호가 설명할 수 있는 것보다 더 빠르게 나타났습니다.
이런 종류의 실험은 Alain Aspect와 John Clauser(1982년과 1972년에 이전 버전을 수행)와 함께 Zeilinger에게 2022년 노벨 물리학상을 안겨주었습니다.
메시지를 보내는 데 사용할 수 있는가?
결국 빛보다 빠르고 거리에 신경 쓰지 않는 것들 사이의 연결이 있습니다. 마치 웜홀 같습니다. 어떻게든 어느 방향으로 측정할지에 대한 결정이 파트너에 영향을 미칩니다.
그러나 마지막 반전이 있습니다: 이것을 정보를 보내는 데 사용할 수 없습니다. 연결은 실재하지만 신호를 운반할 수는 없습니다 — 다른 사람이 보는 것을 통제할 방법이 없습니다.
왜가 다음 가이드의 주제입니다. 계속 지켜봐 주세요.
쥐어 보세요
손에 쥘 수 있는 두 큐비트.
Qubi는 모델 큐비트입니다. 짝을 짓고, 게이트를 실행하고, 이 가이드가 방금 펼쳐 보인 직관을 손으로 쌓아 가세요.