양자 얽힘: 2022년 노벨물리학상 수상 업적 – 양자 오디세이 19

Q1. 지난 비디오에서 우리는 아스페 팀이 실험을 통해 ‘양자 얽힘’ 현상을 확인했다는 사실을 살펴보았습니다. 2022년 노벨물리학상이 바로 양자역학, 그중에서도 가장 신비로우면서도 본질적인 특성이 ‘양자 얽힘’ 연구자들에게 돌아갔네요. 지난 비디오의 내용을 리뷰하는 의미로 2022년 노벨물리학상 수상자들의 연구 업적을 소개해주십시오.

예, 노벨위원회의 공식 발표를 중심으로 소개해드리겠습니다. 수상자는 프랑스의 알랭 아스페, 미국의 존 클라우저, 오스트리아의 안톤 자일링거 등 세 사람입니다. 수상 업적은 ‘얽힌 광자 실험, 벨 부등식 위반 규명 및 양자정보과학 개척’입니다.

Q2. 알랭 아스페는 저번 비디오에서도 등장한 과학자이죠. EPR 논쟁에 종지부를 찍고 양자 얽힘 현상을 확인한 실험인 ‘아스페 실험’의 주인공이었죠? 세 사람의 공통업적은 같지만 약간의 차이가 있을 것 같은데, 각 연구자의 역할을 자세하게 설명해주시죠.

노벨위원회의 발표를 보면 아스페, 클라우저, 자일링거 순인데 프라이즈 세어, 즉 기여도와 상금 배분은 각 1/3로 똑같습니다. 물론 연구 내용은 조금 차이가 있습니다. 순위를 매길 수 없는, 약간 시간적인 단계라고 할까요.

클라우저 교수는 1972년 ‘얽힌 광자’ 실험을 맨 처음 성공한 실험물리학자입니다. 이 얽힌 광자 실험에서 ‘벨 부등식’의 위반을 확인했죠. 여기서 ‘벨 부등식’은 저번 시간에 소개한 대로 EPR의 사고실험을 실험적으로 규명하는 수학 공식인데, 이를 위반한 결과는 곧 두 입자가 연결되어 있다, 다른 말로 ‘얽혀 있다’는 증거인 거죠. 그런데, 클라우저의 실험은 존 벨의 아이디어를 물리학적 실험으로 이행하는 데 성공했다는 의미는 컸지만 약간의 루프홀이 있었어요. 루프홀이란 실험에서 한계, 허점을 말합니다.

클라우저 실험의 루프홀을 막고(혹은 닫고) ‘얽힌 광자’ 실험에 성공한 연구자가 바로 알랭 아스페입니다. 클라우저 실험 10년 뒤인 1982년의 일이죠.

Q3. 클라우저는 존 벨의 아이디어를 발전시켜 실제 실험을 해보였고, 아스페는 클라우저 실험이 지닌 치명적인 허점을 보완해 더욱 정교하고 완전하게 발전시켰다는 것이로군요. 안톤 자일링거는 두 사람과 약간 다른 실험을 했다죠?

그렇습니다. 클라우저와 아스페가 이론을 실험으로 확인했다면 자일링거는 응용가능성을 확인했다고 볼 수 있습니다. 자일링거는 1998년 SF영화에서나 볼 수 있는 양자순간이동(quantum teleportation) 실험을 시연한 것입니다. 양자 얽힘을 이용해 양자 상태를 멀리 떨어진 다른 입자로 이동하는 실험이죠.

Q4. 와우, 양자순간이동이라, 굉장하군요. 노벨위원회는 이번 물리학상 대상 연구에 대해 어떤 의미를 부여하는지 궁금하네요.

물리학 분야 노벨위원인 한스 한손 교수는 이렇게 수상자와 수상자 업적을 소개한 뒤 이렇게 말했습니다. “수상자들의 연구가 양자역학이 진짜 의미하는 바가 무엇인지를 분명히 보여줬다.”는 말이죠.

그러니까 양자 얽힘이라는 현상이 비과학적인 신비로운 얘기라거나 잘 봐주어야 이론 수준의 얘기가 아니라 양자역학의 본질적인 영역이라는 겁니다. 이게 양자역학이다, 이런 말이죠.

Q5. 그러니까, 응용가능성도 높다는 뜻도 담긴 것이겠죠?

그렇습니다. 노벨위원회는 이번 물리학상 선정의 의미를 보도자료를 통해 공식 발표했는데, 그 제목이 ‘Entangled states – from theory to technology’입니다. ‘얽힘 상태, 이론에서 기술로’ 쯤 되겠지요. 신비롭게만 여겨졌던 양자 얽힘이 이론에만 머무는 게 아니라 기술로 응용될 수 있는 가능성을 보여준 게 바로 이번 노벨물리학상 수상자들의 연구라는 얘기입니다.

Q6. 여기서 말하는 얽힘을 이용한 응용기술은 어떤 게 있나요?

양자컴퓨터, 양자네트워크, 그리고 양자순간이동을 통한 양자보안통신을 듭니다. 개인적인 생각으로는 영화 ‘스타트렉’에서와 같은 사람의 순간이동은 먼 미래의 응용기술이 될 것입니다. 안드레스 이르백 노벨물리학상 위원회 의장은 “새로운 양자기술의 부상이 명확해지고 있다”면서 “이번 노벨상 수상업적은 얽힌 상태 연구가 핵심”이라고 말했습니다.

Q7. 양자역학의 신비로운 특성 중 하나인 얽힘 분야 연구로 영예의 노벨상을 탄 수상자들은 양자역학이나 얽힘을 어떻게 생각하는지 궁금합니다.

노벨위원회 홈페이지에는 그들의 인터뷰가 올라 있는데요, 알랭 아스페는 “결론은, 양자역학이 가능한 모든 공격에 견뎌내었다!”고 했습니다. 자신의 실험이 EPR의 공격에 종지부를 찍었다는 의미를 담은 것 같습니다.

클라우저는 반어법으로 표현했는데요, “그동안 시간 낭비가 이만저만이 아니었지, 이제부터 진짜 물리학을 시작할 때지.”라고 했네요. 아마도 얽힘이 이론을 넘어 응용기술로 확립됐다는 데 대한 자신감의 표현이라고 여겨집니다.

자일링거는 “양자역학은 지금까지 개발된 이론 중에서 가장 아름다운 이론”이라고 양자역학 예찬론을 폈습니다.

Q8. 보어-아인슈타인 논쟁의 정점인 EPR 논쟁을 마무리한 시점에 이와 직접 관련 있는 분야의 연구자들이 세계 최고 영예인 노벨상을 수상하니 감회가 새롭습니다. 물리학도이자 우주관 오디세이 저자인 조 대표의 올해 노벨물리학상에 대한 감회도 남다를 것 같은데요.

제가 학부와 대학원 석사과정을 다닐 때만 해도 얽힘을 알지 못했습니다. 그 후 EPR 논쟁과 아스페 실험을 보고 엄청 충격을 받았습니다. 우주는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 신비롭다는 사실을 새삼 느끼게 됩니다.

Quantum Entanglement: A 2022 Nobel Prize-Winning Achievement in Physics – Quantum Odyssey 19

Q1. In the last video, we saw that Aspect's team confirmed the phenomenon of 'quantum entanglement' through experiments. The 2022 Nobel Prize in Physics went back to the researchers of 'quantum entanglement', the most mysterious and essential characteristic of quantum mechanics. As a review of the contents of the last video, please introduce the research achievements of the 2022 Nobel Prize in Physics.

Yes, I would like to introduce you mainly to the official announcement of the Nobel Committee. The winners are Alain Aspect from France, John Clauser from the USA and Anton Zeilinger from Austria. The achievements of the award are ‘for experiments with entangled photons, establishing the violation of Bell inequalities and pioneering quantum information science’.

Q2. Alain Aspect is the scientist who appeared in the last video. He was the protagonist of the ‘Aspect Experiment’, an experiment that put an end to the EPR debate and confirmed the phenomenon of quantum entanglement, right? The common achievements of the three people are the same, but there must be some differences in detail. Please explain the role of each researcher.

If you look at the announcement of the Nobel Committee, Aspect, Clauser, and Zeilinger are in order, but the prize share is the same at 1/3 each. Of course, the contents of the study are slightly different. It's a bit of a temporal step that can't be ranked.

John Clauser developed John Bell’s ideas, leading to a practical experiment. When he took the measurements, they supported quantum mechanics by clearly violating a Bell inequality in 1972. This means that quantum mechanics cannot be replaced by a theory that uses hidden variables. Here, the ‘Bell inequality’ is a mathematical formula that experimentally identifies EPR’s thought experiment. By the way, Clauser's experiment had a great significance in that he succeeded in translating John Bell's idea into a physics experiment, but there were some loophole. A loophole refers to a limitation in an experiment.

Alain Aspect developed the setup, using it in a way that closed an important loophole. He was able to switch the measurement settings after an entangled pair had left its source, so the setting that existed when they were emitted could not affect the result. This was in 1982, 10 years after the Clauser experiment.

Q3. Anton Seilinger did a slightly different experiment than the two of them, right?

That's right. Using refined tools and long series of experiments, Anton Zeilinger started to use entangled quantum states. Among other things, his research group has demonstrated a phenomenon called quantum teleportation in 1998, which makes it possible to move a quantum state from one particle to one at a distance. It's an experiment that uses quantum entanglement to transfer quantum states to other particles far away.

Q4. Wow, quantum teleportation, that's awesome. I wonder what meaning the Nobel Committee gives to the research for this Physics Prize.

Professor Hans Hansson, a Nobel Committee member in the field of physics, said this after introducing the winners and their achievements. “This work has made clear what quantum mechanics really means.”

Q5. How about the applicability of their achievements?

The Nobel Committee officially announced the meaning of the selection of the Physics Prize through a press release, and the title was ‘Entangled states – from theory to technology’. The gist of the press release is as follows: Alain Aspect, John Clauser and Anton Zeilinger have each conducted groundbreaking experiments using entangled quantum states, where two particles behave like a single unit even when they are separated. Their results have cleared the way for new technology based upon quantum information.

Q6. What are the application technologies using the entanglement mentioned here?

They are quantum computers, quantum networks, and secure quantum encrypted communication.

Anders Irbäck, Chair of the Nobel Committee for Physics says as follow. “It has become increasingly clear that a new kind of quantum technology is emerging. We can see that the laureates’ work with entangled states is of great importance, even beyond the fundamental questions about the interpretation of quantum mechanics.”

Q7. I wonder what the honored Nobel laureates think of quantum mechanics and quantum entanglement.

Their interview is posted on the Nobel Committee website. Alain Aspect said, “The bottom line is, quantum mechanics has withstood all possible attacks!” His own experiments seem to have put an end to EPR's attacks.

Clauser expressed it ironically, saying, "It's been a lot of time wasting, and now it's time to start real physics." Perhaps it is an expression of confidence that entanglement has been established as an applied technology beyond theory.

Seilinger praised quantum mechanics, saying, “Quantum mechanics is the most beautiful theory ever developed.”

Q8. As the author of 'Universe-view Odyssey', a liberal arts science book that deals with quantum entanglement, please tell us your personal feelings about this Nobel Prize in Physics.

I was shocked by the EPR debate and the Aspect experiment. It reminds us of the fact that the universe is much more mysterious than we think.

<pinepines@injurytime.kr>