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- 광자의 얽힘을 명확하게 보여주기 위한 테스트를 개발
- Zeilinger와 그의 팀은 1998년 양자 순간이동으로 이 딜레마에 대한 해결책 제공
- 노벨 물리학상 수상자 3명이 함께 양자 기술이 실용화될 수 있는 기반 마련

양자 얽힘 연구로 노벨 물리학상
수상자들은 얽힘을 측정하는 방법을 개발하고 양자 순간 이동을 발견했다.

2022년 노벨 물리학상은 양자 얽힘과 양자 얽힘의 실제 사용에 대한 실험 연구에 상당한 공헌을 한 3명의 물리학자에게 돌아갔다. 미국 물리학자 존 클라우저(John Clauser)와 그의 프랑스 동료 알랭 아스페(Alain Aspect)는 광자의 얽힘을 명확하게 보여주기 위한 테스트를 개발했다. 비엔나 대학의 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)는 얽힘을 처음으로 전송해 양자 통신의 전제 조건을 만들었다. 

▲ 양자 얽힘 현상은 모든 현대 양자 기술의 기초를 형성한다. © Nobelprize.org

양자 컴퓨터와 양자 통신은 미래의 기술로 간주된다. 복잡한 문제를 신속하게 해결하고 "해제 불가능한" 암호화 정보를 사용할 수 있기 때문이다. 이것은 광자, 이온 또는 원자와 같은 입자의 거동을 결정하는 중첩 및 얽힘과 같은 양자 물리적 현상을 기반으로 한다. 그것들만이 양자 컴퓨터의 엄청난 컴퓨팅 능력이나 양자 메시지의 준 순간적 "순간이동"을 가능하게 한다.

"멀리서 으스스한 행동"에 관한 수수께끼

알베르트 아인슈타인은 얽힘 현상을 "원거리에서 으스스한 작용"이라고 불렀고, 에르빈 슈뢰딩거는 이를 양자역학의 가장 중요한 특징이라고 불렀다. 따라서 두 개의 얽힌 입자는 둘 중 하나의 상태가 측정될 때까지 미분화된 중첩 상태로 남아 있다. 그래야만 다른 쪽이 자동으로 동시에 자신의 상태를 결정한다.

이것은 두 개의 공, 하나는 흰색이고 다른 하나는 검은색이며 비행 상태는 회색으로만 인식될 수 있으며 상태의 중첩에 있다. 공 중 하나가 잡힐 때만 최종 색상이 분명해진다. 동시에 다른 공은 반대 색상이어야 한다는 것도 분명하다. 그러나 가장 큰 문제는 공이 어떤 색상과 일치하는지 어떻게 알 수 있을까? 측정할 때 색상이 순전히 우연의 일치일까, 아니면 나중에 색상을 미리 결정하는 숨겨진 정보가 포함되어 있을 수 있을까?

1960년대에 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 이 질문에 실험적으로 답할 이론적 가능성을 개발했다. 이에 따르면 숨겨진 변수가 없는 진정한 얽힘은 측정을 무수히 반복했을 때 어느 정도의 상관관계를 보여야 한다. 그러나 이것이 실제로 어떻게 측정되어야 하는지는 불분명했다.

John Clauser와 Alain Aspect(알랭 아스페): 벨 테스트가 실용적

여기에서 첫 번째 수상자인 미국 물리학자 John Clauser가 등장했다. 그는 Bell의 부등식 위반과 이에 따른 양자 얽힘의 성질을 입증할 수 있는 실험을 최초로 개발했다. 이를 위해 연구원은 편광을 통해 서로 얽힌 광자 쌍을 생성했다. 이러한 광자를 서로 다른 편광 필터를 통해 전송함으로써, Clauser는 어떤 조합이 얼마나 자주 발생하는지 결정할 수 있었다.

▲ John Clauser와 Alain Aspect는 Bell 테스트를 실험적으로 구현했다. © Nobelprize.org

얽힌 광자는 실제로 Bell의 부등식을 위반하는 것으로 나타났다. 상관관계의 크기는 미리 결정된 상태나 숨겨진 변수로 설명할 수 없다. 대신, 그것은 실제로 "멀리서 으스스한 행동"이었다. 두 번째 입자의 상태는 첫 번째 입자의 상태를 측정하여 중첩을 취소함으로써만 결정된다.

그러나, Clauser와 그의 팀이 개발한 실험은 여전히 ​​매우 비효율적이라는 단점이 있었다. 생성된 광자의 작은 부분만 필터를 통해 감지할 수 있으므로 측정에 적합했다. 여기에서 두 번째 수상자인 프랑스 물리학자 Alain Aspect가 등장한다. 그는 실험을 더욱 발전시키고 두 개의 다른 편광판을 통해 얽힌 광자를 유도하여 측정 가능성을 향상시켰다.

Anton Zeilinger: 순간 이동 및 양자 증폭

세 번 째 수상자인 비엔나 대학의 안톤 자일링거(Anton Zeilinger)는 얽힘과 밀접한 관련이 있는 양자 통신의 근본적인 문제를 해결했다. 예를 들어 광섬유 케이블과 같이 광 정보가 장거리로 전송되면 광 신호가 약해지고 따라서 범위가 제한된다. 평균적으로 매 초마다 10km의 거리에서 손실된다. 일반 광 신호의 경우 이는 중간 증폭기에 의해 보상된다.

그러나 이것은 얽힌 광자에서는 불가능하다. 증폭기는 신호를 강화하기 위해 먼저 신호를 읽어야 하기 때문에 얽힘을 깨고 양자 신호를 파괴한다. Zeilinger와 그의 팀은 1998년 양자 순간이동으로 이 딜레마에 대한 해결책을 제공했다. 이것은 얽힌 광자 쌍이 다른 쌍으로 얽힘을 전달할 수 있다는 지식을 기반으로 한다.

양자 증폭기는 얽힘과 여기에 포함된 양자 정보를 이전 쌍에서 새로운 새로운 쌍으로 전송하기 위해 올바른 상황에서 두 광자 쌍이 서로 접촉하도록 보장하기만 하면 된다. 이 발견만이 광섬유 케이블에서 장거리로 양자 신호를 전송할 수 있게 한다. 연구원들은 얽힘을 태양의 광자로 옮기기까지 했다.

양자 기술의 선구자

2022년 노벨 물리학상 수상자 3명이 함께 양자 기술이 실용화될 수 있는 기반을 마련했다. “얽힌 상태에 대한 수상자의 작업은 매우 중요하다. 그들의 결과가 양자 정보를 기반으로 하는 새로운 기술을 위한 길을 열었기 때문이다"고 노벨상 재단의 수상 발표가 말했다.
출처: Nobelprize.org

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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