과학이야기

초광속 통신은 불가능?

순간이동과 현실의 양자 순간이동을 비교할 때 특히 다른 것은 순간적으로 시간차 없이 이동할 수는 없다는 점이다.

양자 얽힘에 의한 영향은 아무리 떨어져 있어도 순간적으로 전해진다. 그러나 양자 순간이동에서는 전파 등을 사용해 보충 정보를 전하지 않는 한 정보가 올바로 전해지지 않는다. 즉 양자 순간이동에는 종래 형태의 통신 수단에 의한 전달이 반드시 필요하다.

상대성 이론에 의하면 자연계에서는 빛보다 빨리 이동하거나 정보를 전달할 수 없다. 또 전파는 빛의 일종이므로 광속으로 전해진다. 전파 등을 사용한 통신이 필수인 양자 순간이동은 광속 이하의 빠르기로만 정보를 전달하기 때문에 상대성 이론과 모순되는 초광속 통신은 실현할 수 없다.

양자 순간이동으로 확실하고 안전한 통신이 가능?

양자 순간이동의 이용법의 하나가 통신 분야의 응용이다. 통신에 양자 순간이동을 사용하는 목적은 확실성과 안전성이다. 양자 순간이동에서는 양자 얽힘 상태를 송신하는 쪽과 수신하는 쪽에 갖출 수 있다면 아무리 원거리라도 양자 얽힘을 매개로 수신하는 쪽에 직접 정보를 전달할 수 있다. 양자 얽힘을 사용하면 도중에 신호가 약해지는 이유로 중요한 정보가 사라지는 경우가 없다.

또한 양자 순간이동을 사용하면 내용을 완전히 비밀로 한 채 통신할 수 있다. 내용을 밝히지 않고 원격지에 있는 양자 컴퓨터에 데이터 처리를 의뢰하고 그 결과를 받거나 누구에게 투표했는지를 밝히지 않고 전자 투표를 할 수 있다.

지상에서 중계? 

양자 정보 통신을 하기 위해서는 송신자와 수신자 사이에 양자 얽힘 상태가 된 광자 쌍을 전송해야 한다. 지상에서 광섬유를 사용해 광자 쌍을 전송하려면 짧은 거리에서 전송한뒤 각 중계 지점에서 광자를 강제로 양자 얽힘으로 연결해 양자 얽힘을 통합해야 한다.

우주에서 중계?

양자 얽힘이 된 광자 쌍을 지상의 송신자와 수신자에게 우주에서 전송하는 방법도 있다. 중국의 연구진은 양자 정보 통신 전용의 인공위성 모쯔를 2016년에 발사해 우주에서 광자 쌍을 전송하는데 성공했다. 현재 양자 정보 통신 분야에서는 중국이 선두를 달리고 있다. 고사카 교수에 의하면 인공위성을 사용하는 방법은 두 점 사이의 양자 정보 통신에는 적합하지만 복수 지점의 네트워크로 하는 통신에는 적합하지 않다고 한다. 중국에서 실시한 인공위성을 사용한 방법은 획기적이다. 일본에서도 지상과 인공위성 양쪽으로 양자 정보 통신의 네트워크를 만드는 일을 진행하고 있지만 중국이 연구 개발에서 중국이 1000배 정도 빠르게 앞서 있다.

양자 순간이동 장치는 작은 양자 컴퓨터?

양자 순간이동의 또 다른 중요한 이용법으로 활발하게 연구되는 것이 양자 컴퓨터에 대한 응용이다. 양자 컴퓨터는 미시적인 물질의 중첩 상태를 이용해 많은 계산을 동시에 하는 병렬 계산이 가능한 컴퓨터이다.

양자 컴퓨터는 아직 연구 개발 단계이며 본격적인 실용화에는 이르지 못했다. 하지만 종래의 컴퓨터에 비해 여러 가지 문제를 압도적으로 짧은 시간에 풀 수 있을 것으로 예상된다.

실제로 양자 순간이동 장치는 그 자체가 가장 작은 양자 컴퓨터라고 한다. 양자 순간이동은 양자 얽힘을 이용해 멀리 떨어진 곳에 정보를 보낼 수 있는데 정보를 보냄과 동시에 정보를 변화시킬 수 있다. 정보를 변화시킬 수 있다는 것은 계산을 할 수 있다는 뜻이다. 양자 컴퓨터는 원격지로 정보를 전달할 수 있다는 양자 순간이동의 특징뿐만 아니라 정보를 변화시킬 수 있다는 특징도 이용한다.

일반적인 양자 순간이동은 'X1'의 계산?

광자를 사용한 양자 순간이동으로 계산의 메커니즘을 설명하자면 '2'라는 정보를 가진 광자가 있다고 가정하자. 이 광자로 양자 순간이동을 하면 양자 얽힘 상태에 있는 광자 쌍을 매개로 '2'라는 정보를 가진 광자가 다른 곳에 나타난다. 이 일련의 흐름을 계산이라고 한다면 입력한 광자의 정보 '2'에 'X1'의 계산을 하고 '2'의 정보를 가진 광자를 출력했다고 간주할 수 있다(2X1 = 2).

입력한 정보를 그대로 출력하는 것(X1의 계산)이 일반적인 양자 순간이동이지만, 실은 '+3'이나 'X2' 같은 계산을 한 뒤 정보를 이동시킬 수도 있다. 그 경우의 일련의 흐름을 나타낸 것이 양자 순간이동을 연속적으로 하면 (2+3) X 2 = 10과 같이 복수의 계산을 할 수 있다.

복잡한 계산에는 다수의 양자 얽힘이 필요?

양자 순간이동은 두 광자의 양자 얽힘을 사용한 것이다. 양자 컴퓨터로서 복잡한 계산을 수행하기 위해서는 훨씬 복잡하게 양자 순간이동을 조합시켜야 한다. 광자를 사용한 양자 순간이동의 경우 양자 순간이동을 여러번 하려면 그 횟수만큼의 양자 순간이동 장치가 필요해져서 장치 전체가 커진다는 문제가 있다. 그것을 해소하기 위해서 같은 양자 순간이동 장치를 루프 모양으로 여러번 이용해 장치 전체를 작게 하는 방법 등이 고안되어 있다.

또한 두 광자의 양자 얽힘을 여러개 준비해 여러번 양자 순간이동을 하는 것이 아니라 처음부터 다수의 광자를 양자 얽힘으로 만들어 두고 복수의 계산을 단숨에 하는 방법도 연구된다.

한 방향 양자 계산이라는 방법은 활발하게 연구되는 분야 중 하나다. 광자를 사용한 양자 컴퓨터의 연구를 하는 일본 도쿄 대학의 다케다 슌타로 교수의 말이다.

양자란 무엇일까?

먼저 정의를 말하자면 양자란 하나,둘 하고 셀 수 있는 작은 덩어리 라는 의미이다. 양(quantity)의 기본 단위라고도 할 수 있다. 양자론이 등장하기 전까지는 빛이 가지고 있는 에너지의 값은 연속적이라고 생각되었다. 빛에는 에너지의 기본 단위란 존재하지 않아서 얼마든지 작게 분할할 수 있다는 말이다. 하지만 독일의 물리학자 막스 플랑크나 아인슈타인 등의 연구를 통해서 물질에 원자라는 단위가 있듯이 빛의 에너지도 단위가 있다는 사실이 밝혀졌다. 이것이 양자라고 불리는 이유다.

양자가 존재하는 것은 에너지 분야만이 아니다. 광자의 편관, 전자나 원자핵의 스핀도 연속적이 아니라 하나의 값을 갖는 양자이다. 즉 양자란 전자나 원자 등의 작은 물질 그 자체를 나타내는 말이 아니라 물질이 갖는 불연속적인 물리량을 나타내는 말이다 양자 순간이동이 물질 그 자체를 전송하는 기술이 아니라 물질이 가진 양자 정보를 읽어들여서 그것을 다른 물질로 옮기는 기술이라는 정도로 알면 이해하기 쉬울 것이다.