[비센의 재미있는 과학 이야기]

 

 

시공간 초월하는 인간의 순간 이동, 현실화 점점 가까워져

 

캐나다 캘거리대학교(University of Calgary) 물리학과 연구진과 중국과학기술대학 연구진들이 각각의 독자적인 연구를 통해 실험실 밖 환경에서 8.2km(캐나다), 12.5km(중국) 떨어진 장소로 순간적인 양자전송(Quantum teleportation)을 성공시켰다는 연구결과를 지난 19일자 과학 학술지 ‘네이처 포토닉스(Nature Photonics)’를 통해서 동시에 발표했습니다.

 

'순간적 전송'이라는 말은 빛과 같은 빠른 속도로 전달된다는 것이 아니라, 말 그대로 ‘동시적으로’ 정보가 전달된다는 것인데, 그렇다면 이것은 ‘스타트랙(Startrak)’과 같은 영화에서 나오는 순간 이동이 현실화될 수 있음을 보여주는 연구 결과라 할 수 있을까요?

 

이들이 성공시켰다는 양자전송에 관련된 이야기는 양자역학(Quantum Mechanics)이 태동되던 1935년 아인슈타인(Einstein), 포돌스키(Podolsky), 그리고 로젠(Rosen)에 의해 발표된 ‘Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete? (물리적 실제에 대한 양자역학적 설명은 완성되었다고 생각할 수 있겠는가?)’라는 논문으로부터 시작됩니다.

 

당시 보어(N. Bohr), 하이젠베르그(Heisenberg) 등의 물리학자들은 고전역학(Classical Mechanics)로는 더이상 설명이 되지 않는 미시적 현상들을 설명하기 위해 양자역학(Quantum Mechanics)이라는 새로운 학문을 도입해야 한다고 주장하고 있었습니다. 논문 제목에서 느낄 수 있듯이 아인슈타인과 그의 동료들은 양자역학에 반대하며 오랜 기간 양자역학의 문제점을 지적하여 이를 무너뜨리기 위해 노력해 왔습니다. 이 논문은 세 저자가 프린스턴의 고등과학연구소에서 함께 토론했던 내용을 포돌스키가 정리하여 작성한 것으로 세 저자의 이름 첫글자를 따서 EPR 역설(paradox)이라고도 불립니다.

 

아이러니한 것은 양자역학의 모순을 설명하기 위해 쓰여진 이 논문은 현재의 양자역학이 기틀을 잡는 데에 중요한 역할을 담당하였으며, 지금도 양자역학을 이해하기 위해 필요한 가장 중요한 논문 중의 하나로 손 꼽히고 있습니다.

 

당시 보어 등이 내세우는 양자역학에 의하면 모든 물리적 특성은 확률적으로만 측정이 가능하며 측정에 의해서 그 결과가 결정되는 것으로, 측정이 이루어지기 전에는 여러가지 가능한 물리적 상황이 중첩되어 있다고 설명합니다.

 

예를 들면, 검은 상자 안에 빨간 공과 파란 공이 하나씩 들어있는데, 손을 상자에 넣어 공 하나를 꺼내는 경우, 손으로 공 하나를 잡은 상황에서 아직 그 공의 색을 확인하지 않았다면, (측정을 하지 않은 상황), 잡고 있는 공과 상자에 남겨진 공의 색깔은 빨간색과 파란색이 결정되지 않은 상태이고, 눈으로 공의 색을 확인하는 순간 두 공의 색깔이 결정된다는 것입니다.

 

이 글을 읽으시는 많은 분들이 ‘그게 무슨 소리야’라고 느끼시는 것과 동일하게 아인슈타인과 동료들도 생각을 했고, 이를 반박하기 위해 위의 논문을 발표하게 된 것입니다.

 

이 논문의 내용을 쉽게 위의 예와 연결해서 말씀을 드리자면, 손으로 잡은 공을 확인하지 않은 채 다른 상자에 담아 우주선에 태워 엄청나게 먼 곳으로 보내어 버린다고 가정합니다. 빛이 100년이 걸려야 지구에 도착할 수 있는 거리, 즉 100 광년이 떨어진 어딘가로 가서 그곳에서 공의 색깔을 확인한다고 가정하는 것입니다.

 

이 경우 100광년이 떨어진 곳에 도착할 때까지 우주선에 있는 공도 지구에 남아있는 공도 색을 확인하지 않았기 때문에, 양자역학에 따르면 두 공은 아직 빨간색인 상황과 파란색인 상황이 물리적으로 겹쳐져 있는 상태에 해당합니다. 이 후 우주선에 있는 공이 빨간색으로 확인된다면, 그 결과 자동적으로 지구에 남겨져 있는 공의 색은 파란색으로 결정되게 됩니다.

 

하지만, 아인슈타인의 상대성이론에 의하면, 존재하는 그 무엇도 빛보다 빠르게 이동할 수는 없기 때문에 우주선의 공이 빨간색으로 확인된 후, 그 정보가 지구에 도착하기 전까지 100년동안 지구의 공은 아직 상태가 결정되지 못하고 중첩상태를 그대로 갖고 있는 상태가 되는데, 이것이 물리적으로 불가능하다는 것을 이론적으로 증명해 보인 것이 바로 위의 EPR 논문인 것입니다.

 

여기서 사람들을 당황시키는 대반전은 1964년 유럽입자물리연구소(CERN)의 이론 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)에 의해서 실제로 우리가 당연하다고 생각하는 아인슈타인의 생각이 아니라, 황당하게만 들리는 보어의 양자역학이 옳다는 것이 이론적으로 증명되었다는 것입니다. 그리고 이번 캘거리 대학과 중국의 연구진이 성공시킨 양자 전송(quantum teleportation)이라는 것이 바로 이 아리송한 양자 상태를 이용한 것입니다.

 

양자 전송을 가능하게 하는 가장 기본적인 원리는 '양자 얽힘'(quantum entanglement)입니다. 이것은 두개의 입자의 양자상태에 해당하는 물리량을 서로 짝짓기를 시키는 것입니다. 이렇게 짝짓기가 된 양자상태를 상자속 공의 색깔과 비슷하게 0과 1의 상태라고 불러 보겠습니다.

 

'두 상태가 얽혀 있다'는 의미는 한쪽의 값이 1이 되면 다른 한쪽의 값은 무조건 0이 되도록 연결되어 있다는 것인데, 수학적으로 이에 대한 계산을 해보면 이 값의 연결은 두 입자간의 거리와 관계가 없습니다. 즉, 거리가 아무리 멀다 하더라도 이 연결고리는 끊어지지 않는다는 것입니다.

 

그러므로 얽혀 있는 양자상태를 갖은 두 입자 중 하나를 먼 거리로 가져간 뒤, 그곳에서 상태를 0에서 1로 바꾼다면 동시적으로 남아있는 입자의 상태는 1에서 0으로 바뀌게 되므로 이것을 이용하여 원거리에서의 시간차가 전혀없는 통신이 가능할 수 있다는 것입니다.

 

오스트리아 비엔나 대학교의 안톤 자일링거(Anton Zeilinger) 교수는 1997년 실험을 통해 이러한 양자상태전송이 가능하다는 것을 처음으로 입증하였으며, 이후 많은 실험을 한 후 2012년에는 143km 거리가 떨어진 곳에서의 양자 전송을 성공해 보이기도 했습니다. 하지만, 이때는 모두 완벽한 장치를 갖춘 실험실 환경 내에서 이루어진 실험이었고, 이에 반해 이번에 성공한 실험들은 비록 거리는 수 킬로미터로 짧지만, 실험실 환경이 아닌 일반 장치들을 이용한 실험으로서 양자 전송이 실제 기술에 접목될 수 있는 가능성을 보여준 것에 그 의미가 있습니다.

 

아직까지는 이러한 양자전송은 양자상태정보의 전송 수준이기 때문에, 이를 이용해서 '인간이 순간 이동을 할 수 있을까'에 대한 것은 너무 많이 앞서가는 기대라고 볼 수 있지만, 양자전송을 이용한 인터넷망을 구축한다는 것은 매우 현실성이 있는 미래로 다가온 것이라고 생각할 수 있습니다.

 

끝으로 이 양자전송의 또다른 엄청난 장점은 바로 암호화에 있습니다. 이 두 입자간의 양자얽힘은 만약 다른 제 3의 입자가 그 얽힘의 관계에 들어오게 되면, 바로 얽힘이 풀려 서로 연동되지 않기 때문에 복제라는 것이 원천적으로 불가능하기 때문입니다. 해킹에 대한 두려움없이 정보를 교환할 수도 있고, 태양계 밖을 연구하기 위해 보낸 탐사선으로부터 기다림없이 바로바로 데이터를 받을 수도 있는 꿈의 데이터 전송 시대가 가능해질 수 있다는 것입니다.

 

물론 현재의 과학으로는 아직은 알 수 없지만, 우리들이 꿈꾸는 순간이동도 절대 불가능하다고는 말할 수 없을 것입니다.

 

 

석준영