[양자 정보 과학] EPR패러독스 양자 얽힘 ( quantum entanglement ) 이란?

EPR 패러독스가 아직까지도 논란이 되는 이유는 받아들이기 어려운 우주 현상이기 때문입니다. EPR 사고실험을 이해하려면 먼저 양자 얽힘에 대해 알아야 합니다.

양자역학에서, 양자 얽힘 (quantum entanglement) 또는 간단히 말해  얽힘이란 " 두 부분계 사이에 존재할 수 있는 일련의 비 고전적인 상관관계" 입니다. 얽힘은 두 부분계가 공간적으로 서로 멀리 떨어져 있어도 존재할 수 있다고 합니다. 예를 들어 보겠습니다.

두 입자를 일정한 양자상태에 두어 두 입자의 스핀이 항상 반대가 되도록 한다고 가정해보겠습니다. (예를 들어 두 스핀의 단일항 상태.) 양자역학에 따르면, 측정하기 전까지는 두 입자의 상태를 알 수 없습니다. 하지만 측정을 한다면, 그 순간 한 계의 상태가 결정되고 이는 즉시 그 계와 얽혀 있는 다른 계의 상태까지 결정하게 됩니다. 이는 마치 정보가 순식간에 한 계에서 다른 계로 이동한 것처럼 보입니다.

이러한 양자 얽힘 이론이 등장한 이후 양자암호,  양자컴퓨터 (양자컴퓨팅), 양자 전송 실험 등이 꾸준히 진행되었습니다.  그리고 이를 통해 양자얽힘 이론의 예측을 실증할 수 있었습니다! 이러한 실험적 결과들이 점점 쌓여가는것과 동반되어 철학적인 논의도 꾸준히 진행되었습니다. 그중 하나는 이 양자얽힘 현상이 국소성의 원리를 위배한다는 논의였습니다. 이 국소성의 원리는 계의  상태에 관한 정보가 항상 그 계의 주위를 통해서만 매개될 수 있다는 원리로, 만약 양자얽힘 현상에 의해 정보가 전달된다면 주위를 통하지 않고도 정보를 전달할 수 있어 국소성의 원리와 모순을 일으키게 됩니다. 결국 양자얽힘 과정에서 실제로 정보가 어떻게 전달되는지에 대한 논의가 계속되었고, 이후 이 모순을 없앨 수 있는 양자역학의 새로운 해석방법이 대두하게 됩니다.

양자 얽힘은 국소성을 위반하지만 빛보다 빨리 정보를 전달할 수 없기 때문에 상대성 이론을 위배하지 않습니다. 다만, 양자 얽힘을 통하여 고전적인 정보와 함께 양자역학적인 정보를 보낼 수 있는데, 이를 양자전송이라고 합니다. 이 경우에도 역시 정보를 빛보다 빨리 전달할 수는 없습니다.

그러나 양자는 속도의 개념이 적용되지 않기 때문에 위에 주장이 옳지 않다는 주장도 있습니다. 속도라는 말은 속도 = 가속력/시간 을 말하는데 양자전송에 속도의 개념을 적용할 수 없으므로 양자전송이 빛보다 빠르다 느리다 하는것은 있을 수 없습니다.  "양자전송속도를 관찰한다"라는 말은 한쪽양자를 이미 관찰한 상태를 의미하므로 이것은 관찰자가 다른편의 양자까지 다 관찰할 수 있다는 말입니다. 이해가 되시나요~? 지구에 있는 전자를 스핀 업하면 태양계로부터 약 640광년 떨어진 베텔기우스에 있는 양전자는 시간 차이 없이 동시에 스핀 다운합니다. 뭔가 이상한점이 있습니다.

슈뢰딩거는 말합니다. " 그 어떤 정보 소통도 '빛의 속도를 넘어설 수 없다', 코펜하겐 해석은 마치 특수상대성이론의 광속불변의 법칙을 어기는 것 같다."  코펜하겐해석에서 말하는 양자얽힘 현상은 그야말로 특수상대성이론과 정면으로 부딪치는 이론입니다. 양자얽힘 현상을 이용하면 시간 차이 없이 아무리 멀리 떨어진 곳이라도 정보를 전달 할 수 있다고 합니다. 아인슈타인은 이 현상을 가리켜 비웃기도 했습니다.