아인슈타인이 '유령같은 원격 작용'이라고 부른 '양자 얽힘(quantum entanglement)'이 실제로 일어나는 모습을 포착한 사진이 처음으로 공개됐다.   

최근 사이언스 얼러트(ScienceAlert) 등 해외 과학전문매체들은 이를 일제히 보도하고 "너무 놀라운 장면이어서 눈을 뗄 수 없다"고 했다.

'양자 얽힘' 이미지는 스코틀랜드 글래스고대학교 (University of Glasgow)의 물리학자들에 의해 포착되었는데, 이들의 논문은  과학저널 Science Advances 최근호에 게재됐다.

우리가 보는 이 회색의 퍼지 이미지는 양자역학이라는 이상한 과학을 뒷받침하고 양자 컴퓨팅의 기초를 형성하는 입자 상호작용을 나타낸다.

양자 얽힘은 두 입자가 뗄래야 뗄 수 없게 연결되었을 때 발생하며, 두 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 관계없이 한 입자의 상태변화는 다른 입자에 즉시 영향을 준다. 위의 사진은 두 광자의 얽힘을 보여준다. 그들은 상호작용하고 있으며 잠시 동안 물리적 상태를 공유한다.

논문의 주저자인 폴 앙투안 모로(Paul-Antoine Moreau)는 BBC 인터뷰에서 "자연의 근본적인 속성에 대한 우아한 시연"이라고 말했다.

이처럼 놀라운 사진을 찍기 위해 모로와 연구팀은 위와 같은 실험장치를 고안했다.

이 실험을 간단히 설명하며 다음과 같다. 왼쪽 아래 BBO에서 한 쌍의 얽힌 입자( 광자)를 발사한다. 이 얽힌 입자 쌍은 BS에서 나뉜다. 하나는 왼쪽으로 가 SLM2에서 위상 필터를 통과하면서 상전이를 겪는다.

다른 하나는 직전해 위상 필터를 통과하지 않았지만 상전이를 일으킨다. 두 입자가 얽혀 있기 때문에 하나가 상전이를 겪으면 다른 하나도 똑같은 상전이를 겪는 것이다. 사진은 SLM1에서 바로 이 순간을 포착한 것이다.

아인슈타인은 '양자 얽힘'을 부정했지만 물리학자 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 양자 얽힘을 정의하는 데서 나아가 ‘벨 부등식(Bell inequality)’이라는, 얽힘을 확인할 수 있는 실험방법을 확립했다. 어떤 실험결과에서 '벨 부등식'이 성립하지 않는다면(위반한다면) 양자 얽힘이 확인된 것이다. 

연구팀은 저널 Science Advances에서 "우리는 관찰된 이미지 내에서 '벨 부등식'의 위반을 확인했다"며 "이 결과는 양자 이미징 기법에 새로운 길을 열어주며, 공간 변수에 기반한 양자 정보 체계에 대한 전망을 제시한다"고 보고했다.

☞더 읽기 : 세기의 보어-아인슈타인 논쟁 ... (라운드 3)EPR 논증 ④벨 부등식과 아스페 실험

# 기사 출처 : ♠Science Advances, Imaging Bell-type nonlocal behavior
♠ScienceAlert, Scientists Just Unveiled The First-Ever Photo of Quantum Entanglement

<'우주관 오디세이' 저자·동아대 겸임교수>

인저리타임 조송현 pinepines@daum.net 조송현의 기사 더보기

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