퀀텀점프-얽힘이란 무엇인가 — SF가 아닌 실제 현상

4부 | 두 동전이 운명을 공유할 때

얽힘이란 무엇인가 — SF가 아닌 실제 현상

---

쌍둥이 장갑 이야기

겨울 여행을 준비한다.

장갑 한 켤레를 챙겼다. 집을 나서기 전에 급하게 가방에 넣었다. 공항에 도착해서 가방을 열었다. 장갑 하나가 나왔다. 왼손 장갑이다.

그 순간, 집에 두고 온 장갑이 무엇인지 안다. 오른손 장갑이다. 확인하지 않아도 안다. 지구 반대편에 있어도 안다. 내가 왼손 장갑을 가지고 있다는 사실이, 동시에 나머지 하나의 정체를 결정한다.

이것이 얽힘처럼 보인다. 그런데 이것은 얽힘이 아니다.

왼손 장갑과 오른손 장갑은 처음부터 정해져 있었다. 내가 몰랐을 뿐이지, 집을 떠나는 순간부터 이미 확정되어 있었다. 장갑이 서로 영향을 주고받은 것이 아니다. 그냥 내가 몰랐던 것이다.

진짜 얽힘은 이것과 다르다. 처음부터 정해져 있지 않다. 내가 확인하는 그 순간, 두 장갑이 동시에 결정된다. 확인 전까지는 진짜로 아무것도 정해지지 않은 것이다.

이 차이를 이해하는 것이 얽힘의 핵심이다.

---

진짜 얽힘 이야기

마술사가 무대 위에 선다.

동전 두 개를 꺼낸다. 그런데 이 동전들은 특별하다. 만들어지는 순간부터 서로 연결되어 있다. 쌍둥이 동전이 아니라, 하나의 덩어리에서 쪼개진 동전이다.

마술사가 말한다. "이 두 동전은 지금 앞면인지 뒷면인지 정해져 있지 않습니다. 회전하는 상태, 즉 중첩 상태입니다."

동전 하나를 조수에게 준다. 조수는 그것을 들고 비행기를 타고 부산으로 간다. 마술사는 서울에 남아있다.

서울의 마술사가 자신의 동전을 손으로 잡는다. 앞면이 나왔다.

그 순간, 부산의 조수 동전은 측정도 하지 않았는데 뒷면으로 확정된다. 빛의 속도보다 빠르게. 아니, 속도가 아예 없이. 순간적으로.

조수가 부산에서 동전을 확인한다. 뒷면이다.

전화도 하지 않았다. 신호도 보내지 않았다. 그냥 서울에서 하나가 결정된 순간, 부산의 것도 결정됐다.

이것이 얽힘이다.

---

물리학자들이 처음 이것을 들었을 때

1935년, 아인슈타인이 이 현상을 처음 들었을 때 강하게 거부했다.

"말이 안 된다. 빛보다 빠른 것은 없다. 서울에서 결정된 것이 부산에 즉각 전달될 수 없다. 반드시 뭔가 우리가 모르는 숨겨진 정보가 있을 것이다."

아인슈타인은 이것을 "유령 같은 원격 작용"이라고 불렀다. 비판하는 말이었다. 유령이 하는 짓처럼 비과학적이라는 뜻이었다.

그로부터 수십 년 동안 논쟁이 이어졌다. 아인슈타인 같은 천재들이 "숨겨진 정보가 있을 것이다"라는 쪽에 섰다. 젊은 물리학자들이 "정말로 동시에 결정된다"는 쪽에 섰다.

1964년, 존 벨이라는 물리학자가 이 논쟁을 끝낼 수 있는 실험 방법을 설계했다. 1982년, 프랑스 물리학자 알랭 아스페가 실제로 실험했다.

결과는 명확했다. 아인슈타인이 틀렸다. 정말로 동시에 결정된다. 숨겨진 정보 따위는 없다. 두 입자는 진짜로 연결되어 있고, 하나를 측정하는 순간 다른 하나가 동시에 확정된다.

세계 최고의 천재가 직관적으로 받아들이지 못했던 현상이, 실험을 통해 사실로 증명됐다. 자연은 우리의 상식보다 이상하다.

---

운명을 공유하는 두 악단원

오케스트라 리허설이 있다.

바이올리니스트 A와 첼리스트 B가 있다. 이 두 사람은 오래 함께 연주해서 서로의 호흡을 완벽하게 안다.

그런데 오늘 리허설에서 신기한 일이 일어난다. 지휘자가 A에게 즉흥 연주를 하라고 한다. A가 즉흥으로 높은 음을 연주했다. 그 순간, B가 지휘자의 신호도 없이 자동으로 낮은 음으로 화음을 맞춘다. A의 연주를 듣고 반응한 게 아니다. A가 음을 내는 순간, B의 음이 동시에 결정됐다.

이것이 비유이지만, 얽힌 입자들이 하는 일과 비슷하다. 한쪽이 결정되는 순간, 다른 쪽도 동시에 결정된다. 신호를 주고받은 것이 아니라, 처음부터 하나의 시스템으로 연결되어 있기 때문이다.

---

왜 빛보다 빠른 통신이 아닌가

여기서 당연한 의문이 생긴다.

서울에서 결정된 것이 부산에 즉각 전달된다면, 빛보다 빠른 통신이 가능한 것 아닌가. 얽힘을 이용해서 순간이동이나 텔레파시 통신을 할 수 있는 것 아닌가.

아니다. 이유가 있다.

서울의 마술사가 동전을 잡았다. 앞면이 나왔다. 부산의 조수 동전은 동시에 뒷면으로 확정됐다. 그런데 서울의 마술사가 부산의 조수에게 "내 동전이 앞면이야"라는 정보를 전달하려면 어떻게 해야 하는가.

전화를 해야 한다. 문자를 보내야 한다. 어떤 방식으로든 신호를 보내야 한다. 그 신호는 빛의 속도를 넘을 수 없다.

부산의 조수는 서울에서 결정이 됐다는 것을 모른다. 그냥 자기 동전을 들여다보면 뒷면이 나올 뿐이다. 그것이 서울과 연결된 결과인지, 그냥 우연히 뒷면이 나온 것인지 구분할 방법이 없다.

결과가 동시에 결정되는 것과, 그 결과를 아는 것은 다른 문제다. 얽힘은 결과를 동시에 만들지만, 그 결과를 소통하는 것은 여전히 빛의 속도로 제한된다.

---

동전 두 개가 왜 하나처럼 행동하는가

더 깊이 들어가보자.

얽힌 동전 두 개는 사실 하나의 시스템이다. 두 개처럼 보이지만 하나다.

마치 장갑 한 켤레처럼 보이지만, 이 경우에는 켤레가 물리적으로 하나의 상태를 공유하고 있다. 그리고 그 상태는 아직 결정되지 않았다. 앞면-뒷면일 수도 있고 뒷면-앞면일 수도 있는 두 가능성이 동시에 살아있다.

하나를 측정하는 순간, 시스템 전체가 하나의 상태로 확정된다. 서울의 동전이 앞면으로 확정되면, 부산의 동전은 자동으로 뒷면으로 확정된다. 신호가 간 것이 아니다. 원래 하나였던 시스템이 확정된 것이다.

강을 생각해보자. 강 하나가 흐르다가 섬을 만나 두 갈래로 나뉜다. 왼쪽 강과 오른쪽 강. 그런데 이 두 강은 원래 하나의 강이었다. 왼쪽 강에 댐을 지으면, 오른쪽 강에도 영향이 간다. 두 강이 분리되어 있는 것처럼 보여도, 원래 하나였기 때문이다.

얽힌 입자들이 이 강처럼 원래 하나의 시스템이다.

---

계산에서 얽힘이 하는 일

그런데 이 신기한 현상이 계산에서 어떻게 쓰이는 걸까.

공장에서 수백 개의 센서 데이터를 동시에 처리해야 한다고 하자.

클래식 컴퓨터는 각 센서 데이터를 하나씩 처리한다. 온도를 처리하고, 다음에 진동을 처리하고, 다음에 전류를 처리한다. 각각이 독립적이다.

그런데 현실에서 온도와 진동과 전류는 독립적이지 않다. 온도가 오르면 진동이 바뀌고, 진동이 바뀌면 전류가 달라진다. 세 가지가 서로 영향을 주고받는다.

클래식 컴퓨터가 이 세 가지를 동시에 고려하려면, 세 가지 모든 조합을 하나씩 계산해야 한다. 시간이 걸린다.

얽힌 큐비트들은 처음부터 서로 연결되어 있다. 온도를 담당하는 큐비트가 변하면, 얽혀있는 진동 큐비트와 전류 큐비트가 동시에 반응한다. 신호를 주고받는 것이 아니라, 하나의 시스템으로 함께 변한다. 세 가지 데이터의 관계가 자연스럽게 계산 안에 녹아있다.

공장 반장이 온도, 진동, 전류를 하나씩 확인하는 것이 아니라 공장에 들어서는 순간 세 가지를 동시에 '느끼는' 것과 같다. 그 베테랑 반장의 직관이 얽힘에서 나온다.

---

실이 묶인 두 팽이

두 팽이가 있다.

실로 연결되어 있다. 팽이 A가 오른쪽으로 기울면 실이 당겨지면서 팽이 B가 왼쪽으로 기운다. 하나가 움직이면 다른 하나가 동시에 반응한다. 신호를 주고받는 것이 아니라 실로 연결되어 있기 때문이다.

얽힌 큐비트들도 이 실로 연결된 팽이와 비슷하다. 하나가 변하면 다른 하나가 동시에 반응한다. 그 실의 이름이 양자 얽힘이다. 눈에 보이지 않지만, 실험으로 수천 번 확인된 실이다.

그리고 이 실로 연결된 팽이들을 수십 개, 수백 개로 늘리면 어떻게 될까. 하나가 움직이면 나머지 전체가 동시에 반응한다. 수백 개의 팽이가 하나의 시스템처럼 움직인다. 그 시스템 안에서 일어나는 계산은 클래식 컴퓨터가 흉내도 낼 수 없는 종류의 것이다.

---

사랑하는 사람의 감각

조금 다른 방향에서 생각해보자.

오랫동안 함께 산 부부가 있다. 수십 년을 함께했다.

남편이 거실에서 TV를 보고 있다. 아내가 부엌에 있다. 아내가 무언가를 힘들어한다는 것을 남편이 느낀다. 아무 소리도 안 했다. 신호를 보내지 않았다. 그냥 안다.

왜 아는가. 수십 년 동안 서로가 서로에게 얽혀있기 때문이다. 상대방의 작은 변화가 나에게 전달된다. 말이 필요 없다.

물론 이것은 물리학적 얽힘이 아니다. 그러나 얽힘이라는 개념을 직관적으로 느끼기에는 이보다 좋은 비유가 없다. 두 존재가 깊이 연결되어 있어서, 하나의 변화가 다른 하나에게 즉각 영향을 준다는 것.

퀀텀의 얽힘은 이것을 물리학적으로, 수학적으로, 실험적으로 증명한 현상이다. 감정이나 직관이 아니라 자연의 법칙으로 두 입자가 연결되는 것이다.

---

얽힘이 보여주는 것

얽힘이 우리에게 말해주는 것이 있다.

우리는 세상이 독립된 조각들로 이루어져 있다고 생각한다. 이 동전과 저 동전은 서로 다른 물체다. 이 공장 센서와 저 공장 센서는 별개의 장치다. 서울과 부산은 다른 곳이다.

그런데 퀀텀의 세계는 다르게 말한다. 한 번 연결된 것들은 영원히 연결되어 있다. 아무리 멀리 떨어져도 하나의 시스템이다. 세상이 독립된 조각들의 합이 아니라, 깊이 연결된 하나의 그물망이다.

아인슈타인이 받아들이지 못한 것이 이것이었다. 세상은 그가 생각했던 것보다 훨씬 깊이 연결되어 있었다.

그리고 퀀텀 컴퓨터는 이 연결을 계산의 힘으로 쓴다. 독립적으로 처리하면 수십억 년이 걸릴 계산을, 얽혀있는 큐비트들이 하나의 시스템으로 동시에 처리한다.

---

SF인 것과 아닌 것

마지막으로 분명히 해두고 싶은 것이 있다.

얽힘으로 할 수 없는 것이 있다. 빛보다 빠른 통신. 순간이동. 텔레파시. 이것들은 SF다. 얽힘이 있어도 불가능하다.

얽힘으로 할 수 있는 것이 있다. 서로 연결된 큐비트들이 하나의 시스템으로 계산하는 것. 클래식 컴퓨터로 수억 년이 걸릴 문제를 현실적인 시간 안에 푸는 것. 복잡하게 얽힌 데이터의 패턴을 한꺼번에 탐색하는 것.

이것은 SF가 아니다. 실험실에서 증명됐고, 지금 이 순간도 연구자들이 활용하고 있는 현실이다.

2022년, 얽힘 현상을 연구한 세 명의 물리학자가 노벨 물리학상을 받았다. 그들의 연구는 얽힘이 실재한다는 것을 가장 엄밀하게 증명했다.

유령 같은 원격 작용이라고 비웃었던 것이 노벨상을 받았다.

자연은 우리의 상식보다 이상하고, 그 이상함 안에 계산의 미래가 있다.