[2022 노벨물리학상] 아스페, 클라우저, 차일링거 : '양자 얽힘', 아인슈타인의 유령을 증명하다

 

 

 

 

 

📜 들어가며: 아인슈타인의 마지막 저주, '유령 같은 원격 작용'

 

1930년대, 닐스 보어 [1922년 수상]가 이끄는 '코펜하겐 해석'은 양자역학의 기묘한 세계를 '확률'과 '중첩'으로 설명했습니다. 하지만 알베르트 아인슈타인 [1921년 수상]은 이 불확실한 세계를 받아들일 수 없었습니다. "신은 주사위 놀이를 하지 않는다"는 그의 유명한 말은, 양자역학이 '불완전한' 이론이라는 강력한 믿음에서 나왔습니다.

1935년, 아인슈타인은 동료 포돌스키, 로젠과 함께 양자역학의 '가장 기묘한' 역설을 제시합니다. [EPR 역설]

"만약 두 개의 입자[예: 전자]를 '얽힌' [Entangled] 상태로 만들고, 이들을 우주 양 끝[수 광년 거리]으로 보낸다고 상상해 보라."

"양자역학에 따르면, 내가 이쪽 입자[A]의 스핀을 '관측'하는 순간 [예: '위'로 결정], 저쪽 입자[B]의 스핀은 '누가 알려주지 않아도' 즉시 '아래'로 결정된다."

아인슈타인은 이것을 '유령 같은 원격 작용' [Spooky action at a distance]이라 부르며 조롱했습니다. 빛보다 빠른 정보 전달은 불가능하므로[특수 상대성 이론], 이는 양자역학이 틀렸거나, 혹은 두 입자가 헤어질 때 이미 '숨겨진 정보' [Hidden Variables]를 갖고 있었다는 증거라고 주장했습니다.

70년간, 이것은 '철학'의 영역이었습니다. "관측하는 순간 결정되는가?" [보어] 아니면 "이미 결정되어 있었는가?" [아인슈타인]

2022년 노벨 물리학상은, 이 '철학 논쟁'을 '실험실'로 끌어내려, 아인슈타인이 틀렸고 닐스 보어가 옳았음을 증명한 세 명의 위대한 실험 물리학자, 알랭 아스페 [Alain Aspect], 존 F. 클라우저 [John F. Clauser], 안톤 차일링거 [Anton Zeilinger]에게 수여되었습니다.

 

🏆 영광의 수상 이유: "양자 얽힘과 벨 부등식의 증명"

 

스웨덴 왕립 과학 아카데미는 2022년, 이 세 명의 거장에게 노벨상을 공동 수여하며 그 공로를 다음과 같이 발표했습니다.

"얽힌 광자 [entangled photons]를 이용한 실험, '벨 부등식' [Bell inequalities]의 위배를 확립하고, '양자 정보 과학' [Quantum Information Science]을 개척한 공로를 기리며"

이 수상은 '제2의 양자 혁명' [양자 정보 시대]의 문을 연 공로에 대한 찬사였습니다.

1. 존 F. 클라우저 [이론의 실험화]: 1960년대 존 스튜어트 벨이 제안한 '벨의 부등식' [아인슈타인의 '숨겨진 정보' 이론이 맞다면 만족해야 하는 수학적 한계]을, 1972년 최초로 '실험'으로 검증하여, 이 부등식이 '깨진다'는 것, 즉 아인슈타인의 생각이 틀렸음을 처음 증명했습니다.
2. 알랭 아스페 [실험의 완성]: 1982년, 클라우저의 실험에 남아있던 '허점' [Loopholes]을 완벽하게 차단하는 [예: 두 입자가 서로 '소통'할 시간을 주지 않음] 더 정교한 실험으로, '유령 같은 원격 작용'이 '실재'함을 결정적으로 증명했습니다.
3. 안톤 차일링거 [기술의 개척]: 1990년대부터, 이 '기묘한 얽힘' 현상을 'SF'가 아닌 '기술'로 바꾸었습니다. 그는 '양자 순간이동' [Quantum Teleportation]과 '양자 얽힘 교환' 등을 최초로 구현하여, 양자 정보 과학이라는 새로운 분야의 아버지가 되었습니다.

 

🧠 제1막: 존 벨, '철학'을 '수학'으로 바꾸다 [1964]

 

1964년, CERN의 이론 물리학자 존 스튜어트 벨 [John Stewart Bell]은 아인슈타인[숨겨진 정보]과 보어[양자 중첩]의 30년 묵은 철학 논쟁을, '실험'으로 검증할 수 있는 '수학'으로 바꾸었습니다.

그는 아인슈타인의 '국소적 실재론' [Local Realism, 입자는 숨겨진 정보를 가지며 빛보다 빨리 소통할 수 없다]이 맞다고 '가정'할 경우, 두 얽힌 입자의 측정값이 만족해야 하는 '수학적 한계치' [부등식]를 유도했습니다.

이것이 벨의 부등식 [Bell's Inequality]입니다.

• 만약 아인슈타인이 옳다면 [숨겨진 정보가 있다면]: 이 부등식은 성립해야 합니다.
• 만약 닐스 보어가 옳다면 [관측 시 결정된다면]: 이 부등식은 깨져야 합니다.

이제 물리학자들은 '철학' 대신 '숫자'를 검증하면 되었습니다.

 

🔬 제2막: 클라우저 & 아스페, 아인슈타인의 관에 못을 박다

 

클라우저: "벨의 부등식은 깨졌다" [1972]

1970년대 초, 캘리포니아의 젊은 실험가 존 클라우저는 벨의 논문을 읽고, 이를 최초로 실험하기로 결심합니다. 당시 동료들은 "왜 이미 답이 뻔한 양자역학을 검증하느라 시간을 낭비하냐"며 그를 비웃었습니다.

1972년, 그는 칼슘 원자에서 방출되는 '얽힌 광자 쌍'을 만들어내는 장치를 고안했습니다. 그리고 두 광자가 서로 다른 '편광 필터'를 통과하는 확률을 수천 번 측정했습니다.

결과는 아인슈타인에게 '사망 선고'였습니다. 측정값은 아인슈타인의 '숨겨진 정보' 이론이 예측한 한계치[벨의 부등식]를 명백하게 위반했습니다. 닐스 보어가 옳았습니다. '유령 같은 원격 작용'은 실재했습니다.

아스페: '허점'을 차단한 결정타 [1982]

클라우저의 실험은 위대했지만, '허점'이 있었습니다. "만약... 두 편광 필터가 고정되어 있는 동안, 첫 번째 광자가 측정을 당한 뒤 '빛의 속도'로 두 번째 광자에게 '야, 나 '위'로 측정됐으니 넌 '아래'로 준비해!'라고 '정보를 전달'한 것이라면?" [국소성 허점]

프랑스 파리의 알랭 아스페는 이 마지막 '틈'을 막기로 했습니다.

그는 1982년, 이 '소통'이 불가능하도록 실험을 설계했습니다. 그는 두 광자가 13미터의 거리를 '비행하는 동안' [약 40 나노초], '무작위적인' 스위치를 이용해 두 검출기의 편광 필터 방향을 '빛보다 빠르게' 바꿔버렸습니다.

두 입자는 그들이 어떤 '시험'을 치를지 '미리 알 수 없었습니다.' 결과는 클라우저와 같았습니다. 벨의 부등식은 깨졌습니다.

아스페의 이 실험으로, 아인슈타인의 '국소적 실재론'은 완전히 기각되었습니다. 우주는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 기묘하고, '비국소적'으로 연결되어 있었습니다.

 

🛰️ 제3막: 안톤 차일링거, '얽힘'을 '기술'로 만들다

 

아스페가 '얽힘'을 증명했다면, 오스트리아 빈 대학의 안톤 차일링거는 "그래서, 이 기묘한 현상을 '어디에' 쓸 수 있는가?"라는 질문에 답했습니다.

그는 '얽힘'을 물리학의 골칫덩어리에서, 21세기 양자 정보 기술의 '자원'으로 바꾸었습니다.

'양자 순간이동' [Quantum Teleportation]

1997년, 차일링거의 팀은 역사상 최초의 '양자 순간이동' 실험에 성공했습니다.

그들은 A, B, C 세 개의 광자를 준비했습니다.

1. B와 C를 '얽힌 상태'로 만듭니다.
2. B는 앨리스에게, C는 밥에게 보냅니다.
3. 앨리스는 자신이 가진 '원본' 광자 A를, 얽힌 B와 '함께' 측정합니다.
4. 이 측정은 '얽힘'을 파괴하며, 원본 A의 '양자 정보'도 파괴시킵니다.
5. 앨리스는 밥에게 '고전적인' 전화로 자신의 측정 결과[2비트 정보]를 알려줍니다.
6. 밥은 그 정보를 바탕으로, 자신이 가진 C를 '조작'합니다.
7. 그 순간, 광자 C는 원본 광자 A와 '완벽하게 동일한' 양자 상태로 '변신'합니다.

'물질'이 이동한 것이 아니라, '양자 정보' 그 자체가 '순간이동'한 것입니다.

차일링거는 '얽힘'을 이용해 양자 암호통신, 양자 컴퓨팅, 얽힘 교환 등 '양자 정보 과학'의 거의 모든 핵심 기술을 최초로 구현하며, '제2의 양자 혁명'을 이끈 '현장의 지휘관'이 되었습니다.

 

🧐 TMI와 그의 유산

 

"보어가 이겼다"

존 클라우저는 원래 아인슈타인의 '숨겨진 정보' 이론을 '증명'하고 싶어서 실험을 시작했습니다. 그는 양자역학이 틀렸기를 바랐습니다. 하지만 그의 실험은 정반대로, 자신이 틀렸고 보어가 옳았음을 증명해버렸습니다.

"퀀텀" [Quantum]이라 불린 사나이

안톤 차일링거는 그의 선구적인 업적 때문에 유럽에서 '미스터 퀀텀' [Mr. Quantum]이라는 별명으로 불립니다. 그는 2022년 노벨상 수상 소식을 들었을 때도, "나는 아직도 이 기묘한 양자역학에 충격받고 있다"는 겸손한 소감을 남겼습니다.

'우젠슝'에 이은 또 다른 '여성' 누락 논란

세 명의 남성 물리학자가 수상했지만, 이 분야의 토대를 닦은 1964년 '존 스튜어트 벨' [1990년 사망]과, 1957년 '패리티 붕괴'를 실험으로 증명한 우젠슝 여사 [1997년 사망]는 노벨상을 받지 못했습니다. 특히 '벨의 부등식'이라는 '이론'을 제시한 벨의 공로가 인정받지 못한 것에 대해 많은 아쉬움이 남았습니다. [노벨상은 생존자에게만 수여됩니다.]

 

✍️ 나가며: '제2의 양자 혁명'을 공인하다

 

2022년 노벨 물리학상은 1930년대부터 이어진 '양자역학의 근본'에 대한 100년 논쟁을 마침내 종결시킨 상이었습니다.

클라우저와 아스페는 "우주가 '유령'처럼 연결되어 있다"는 보어의 주장이 '철학'이 아닌 '사실'임을 증명했습니다. 차일링거는 그 '유령'을 '기술'로 바꾸어, '양자 컴퓨터'와 '양자 암호'라는 미래의 문을 열었습니다.

그들 덕분에 인류는 '얽힘'이라는 가장 기묘한 자연 현상을, 21세기의 가장 강력한 '자원'으로 사용하기 시작했습니다.