PHYS.ORG : 3인의 물리학자, 양자 역학의 으스스한 세계에 대한 통찰력으로 노벨상을 공동 수상하다.

2022년 노벨 물리학상은 원자와 입자의 미시 세계를 다루는 이론인 양자 역학에서 선구적인 실험을 한 세 명의 과학자에게 수여되었습니다.

프랑스 파리-사클레 대학의 알랭 아스페(Alain Aspect), 미국 J.F. Clauser & Associates의 존 클라우저(John Clauser), 오스트리아 비엔나 대학의 안톤 차일링거(Anton Zeilinger)는 얽힌 광자 실험으로 벨 부등식의 위반을 확립하고 양자정보과학을 개척한 공로로 천만 스웨덴 크로나(US $915,000)의 노벨상 상금을 나누어 가지게 되었습니다.

양자 역학의 세계는 참으로 매우 기묘해 보입니다. 학교에서 우리는 물리학의 방정식을 사용하여 미래에 사물이 어떻게 행동할지 정확히 예측할 수 있다고 배웁니다.

양자역학은 이와 다릅니다. 개별 결과를 예측하는 대신 특정 위치에서 아원자 입자를 찾을 확률을 알려줍니다. 입자는 측정할 때 무작위로 한 위치를 "선택"하기 전에 실제로 동시에 여러 위치에 있을 수 있습니다.

위대한 알베르트 아인슈타인 자신도 이것에 대해 불편해하며 그것이 틀렸다고 확신할 정도였습니다. 결과가 무작위적이기보다는 예측할 수 있는 측정 결과에 영향을 미치는 "숨겨진 변수(우리가 볼 수 없는 어떤 힘 또는 법칙)"가 있어야 한다고 생각했습니다.그러나 일부 물리학자들은 양자역학의 결과를 포용했습니다. 

북아일랜드 출신의 물리학자 존 벨(John Bell)은 1964년에 중요한 돌파구를 마련하여 아인슈타인이 염두에 두었던 숨겨진 변수가 존재하지 않는다는 것을 보여주는 이론적 테스트를 고안했습니다.

양자 역학에 따르면 입자는 "얽혀"서, 하나를 조작하면 다른 것도 자동으로 즉시 조작할 수 있게 으스스하게(spookily) 연결되어 있습니다. 이 으스스함(멀리 떨어져 있는 입자가 순간적으로 서로에게 신비하게 영향을 미치는 것)이 숨겨진 변수를 통해 입자가 서로 통신하는 것으로 설명된다면 둘 사이에 빛보다 빠른 통신이 필요한데 이는 아인슈타인의 이론에서 금지되는 것입니다.

양자 얽힘은 이해하기 어려운 개념이며, 기본적으로 입자가 얼마나 멀리 떨어져 있더라도 입자의 속성을 연결된다는 것입니다. 반대 방향으로 날아가는 두 개의 광자(빛 입자)를 방출하는 전구를 상상해 보십시오.

이러한 광자가 얽혀 있으면 둘 사이의 거리와 관계없이 편광 같은 속성을 공유할 수 있습니다. 벨은 이 두 광자에 대해 개별적으로 실험해 결과를 비교함으로써 그들이 얽혀 있음(진정으로 신비하게 연결되어 있음)을 증명하는 것을 상상했습니다.

클라우저(Clauser)는 단일 광자에 대한 실험이 거의 불가능했던 시기에 벨의 이론을 실행에 옮겼습니다. 벨의 유명한 사고 실험이 있은 지 불과 8년 후인 1972년, 클라우저는 빛이 실제로 얽힐 수 있음을 보여주었습니다.

클라우저의 결과는 획기적이었지만 그가 얻은 결과에 대한 몇 가지 대안적이고 더 이국적인 설명이 있었습니다.

빛이 물리학자들이 생각한 대로 행동하지 않는다면 아마도 그의 결과는 얽힘 없이 설명될 수 있을 것입니다. 

이러한 설명은 벨의 테스트에서 허점으로 알려져 있으며 아스페(Aspect)는 이에 대해 처음으로 도전했습니다.

Aspect는 벨의 테스트에서 가장 중요한 잠재적인 허점 중 하나를 배제하기 위해 독창적인 실험을 제안했습니다. 

그는 실험에서 얽힌 광자가 벨 테스트 결과를 결정하기 위해 숨겨진 변수를 통해 실제로 서로 통신하지 않는다는 것을 보여주었습니다. 이것은 그들이 정말로 으스스하게 연결되어 있음을 의미합니다.

과학에서는 우리가 옳다고 믿는 개념을 테스트하는 것이 매우 중요합니다. 그리고 이것을 하는 데 Aspect보다 더 중요한 역할을 한 사람은 거의 없습니다. 양자 역학은 지난 세기 동안 계속해서 테스트를 거쳤으며 손상 없이 살아남았습니다.

이 시점에서 미시 세계가 어떻게 작동하는지 또는 광자가 얽힐 수 있는지가 왜 중요한지 궁금해하는 것을 용서받을 수 있습니다. 이것이 바로 차일링거(Zeilinger)의 비전이 빛나는 부분입니다. 

우리는 한때 고전 역학 지식을 활용하여 기계를 만들고 공장을 만들어 산업 혁명을 일으켰습니다. 전자와 반도체의 동작에 대한 지식은 디지털 혁명을 주도했습니다.

그러나 양자 역학을 이해하면 이를 활용하여 새로운 일을 할 수 있는 장치를 만들 수 있습니다. 실제로 많은 사람들은 이것이 양자 기술의 다음 혁명을 주도할 것이라고 믿습니다.

양자 얽힘은 컴퓨팅에서 활용되어 이전에는 불가능했던 방식으로 정보를 처리할 수 있습니다. 얽힘의 작은 변화를 감지하면 센서가 그 어느 때보다 더 정확하게 사물을 감지할 수 있습니다. 

양자 시스템을 측정하면 도청자의 존재가 드러날 수 있으므로 얽힌 빛과의 통신은 보안을 보장할 수도 있습니다.

Zeilinger의 연구는 일련의 얽힌 시스템을 함께 연결하여 양자에서 네트워크에 해당하는 등가물을 어떻게 구축할 수 있는지를 보여줌으로써 양자 기술 혁명의 길을 닦았습니다.

2022년 현재, 이러한 양자 역학의 응용은 공상 과학 소설이 아닙니다. 우리는 최초의 양자 컴퓨터를 가지고 있습니다. Micius 위성은 전 세계적으로 안전한 통신을 구현하기 위해 얽힘을 사용합니다. 

그리고 양자 센서는 의료 영상에서 잠수함 탐지에 이르기까지 다양한 응용 분야에 사용되고 있습니다.

마침내 2022년, 노벨 위원회는 양자 얽힘을 생성, 조작 및 테스트하는 실용적인 토대와 그것이 추동하는 혁명의 중요성을 인식했습니다.

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상세내용 확인 링크[출처]  

- https://phys.org/news/2022-10-nobel-prize-physicists-insights-spooky.html