양자 순간이동 가능할까 1편

멀리 떨어진 곳에 물질을 전송하는 순간이동은 공상 과학에서 친숙한 기술이다. 영화 어벤저스 앤드게임에서도 양자 순간이동이 거론된다. 사실은 미시 세게의 물리학인 양자론을 응용함으로써 그와 비슷한 일을 실현할 수 있다. 현재 양자 순간이동은 통신 기술이나 양자 컴퓨터 등으로 응용된다. 

 

 

떨어져 있는 곳으로 물질을 전송할 수 있나?

양자론을 응용한 순간 이동을 이용함으로써 멀리 떨어진 곳으로 실질적인 물질을 이동하는 것이 가능해지리라고 생각된다. 그 방법은 아신슈타인을 괴롭힌 '양자 얽힘'이라는 불가사의한 현상이다.

 

지구와 달의 전송 장치를 양자 얽힘으로 연결해 둔다

지구 쪽에서 양자 측정실과 양자 송신실이 있고 달 쪽에는 양자 송신실과 양자 얽힘이라는 특수한 관계로 이어진 양자 수신실이 있다. 양자 측정실에 전송하려는 대상을 넣는다. 

 

물질의 상태를 측정하고 측정 결과를 전파로 송신

물질을 구성하는 모든 물질 정보를 얽힘 측정이라는 특수한 방법으로 측정한다. 측정을 하면 순식간에 달의 양자 수신실의 상태도 변한다. 단 물질은 아직 달에 나타나지 않는다. 측정결과를 전파를 통해 지구에서 달로 보낸다.

 

달에서 물질을 재생

지구에서 도달한 측정 결과를 사용해 양자 수신실의 상태를 보정하면 지구에 있던 물질과 똑같은 물질이 나타난다. 측정에 의해 지구에서 보낸 물질 상태는 부서지기 때문에 물질은 달에만 존재하게 된다.

 

 

전송 전과 전송 후의 물질은 똑같은 물질일까?

양자 순간이동은 SF에 나오는 순간이동과 달리 물질 그 자체를 전송하는 것은 아니다. 송신되는 것은 어디까지나 물질의 정보이다. 예를 들어 한권의 책은 인쇄소에서 똑같이 인쇄되기 때문에 서점에 진열되어 있는 다른 책과 내용적으로는 아무 차이가 없다. 단 구체적인 종이와 제본할 때의 미묘한 차이 등이 있기 때문에 물질로는 다른 것이라고 할 수 있다.

양자 순간이동에 의해 생긴 수신하는 쪽의 물질은 송신하는 쪽의 물질과 모든 원자의 양자 상태가 같다. 그리고 같은 원소의 원자임에 틀림이 없다. 지구에 있는 탄소 원자와 달에 있는 탄소 원자를 구별할 수는 없으며 완전히 똑같은 것이라고 할 수 있다. 그리고 원자핵의 중성자의 수 등은 모든 상태가 같은 원자를 생각한다. 그래서 지구에 있던 물질과 달에서 재구성된 물질은 원자 수준에서 비교해도 구별할 수 없기 때문에 똑같은 물질이라고 할 수 있다.

 

큰 물질을 대상으로 순간 이동을 하는 일은 왜 어려울까?

양자 순간이동을 하기 위해서는 전송하려는 물질의 정보를 측정해야 한다. 그리고 얽힘 측정하기 위해서는 대상이 양자 상태로 있어야 한다. 상태란 중첩 등 양자 역학의 특징적인 성질을 발휘할 수 있는 상태를 말한다. 원자 등의 미시적인 물질이 단독으로 존재할 때는 양자 상태가 되지만 큰 물질은 기본적으로 양자 상태가 되지 않는다.

관계되는 물질의 양이 많을수록 양자 상태를 유지하기가 어렵다. 그리고 양자 상태를 파괴하는 원인이 되는 공기 분자와의 충돌을 막기 위해서는 진공 속에서 측정하는 것이 바람직하기 때문에 생물을 산 채로 양자 순간이동으로 전송하기는 어렵다. 그리고 원자가 많아지면 측정해서 전송해야 할 정보량이 막대해지는 등의 문제도 있기 때문에 큰 물질의 양자 순간이동은 현실적으로 매우 어렵다.

 

 

왜 보충 정보의 전달이 필요할까?

양자 순간이동에는 양자 얽힘을 통한 전달 이외에 종래의 통신 수단을 사용해 보충 정보를 전송하는 곳에 전달해야 한다. 왜 양자 얽힘만으로는 충분한 정보가 전해지지 않을까? 전송하고자 하는 광자 X와, 양자 얽힘 상태가 되어 있는 광자 A(송신 쪽) 및 광자 B(수신 쪽)가 있다. 광자 X와 광자 A를 부딪쳐 양자 상태를 서로 섞어 측정하면 두 광자는 아래 그림에 그려진 4종의 양자 얽힘 상태 가운데 어느 한 상태가 된다. 수신 쪽(광자B)에 보충 정보로 전달하는 것은 이 4종의 양자 얽힘 상태 중 어느 것이 되었는가라는 측정 결과다.

광자 X와 광자 A가 4종 중의 어느 상태가 되는지는 확률적이다. 광자 A상태가 변한 순간에 그 쌍인 광자 B에는 양자 얽힘을 통해 광자 A의 상태 변화가 전해진다. 그러나 4종 중의 어느 상태가 되었는지는 불명인 채 전해진다.

4종 중의 어느 패턴이 되었는지를 송신 쪽에서 측정해 그 측정 결과를 사용해 광자 B를 제대로 보정함으로써 비로써 광자 B에 남아있던 확률적인 부분이 사라지고 광자 B에서 광자 X의 정보를 올바로 재생할 수 있는 것이다.